Implementando Sensores Táctiles

Creado: Febrero 10, 2017
Actualizado: Octobre 27, 2020

Aprende cómo diseñar una alternativa confiable a los interruptores mecánicos tradicionales con tecnología de sensor táctil capacitivo en Altium Designer. La tecnología de sensor táctil capacitivo ofrece una alternativa económica y altamente confiable a los interruptores mecánicos tradicionales que se utilizan en interfaces de control electrónicos. Crear o redimensionar manualmente los patrones específicos de proveedor/tecnología de un sensor táctil puede ser tanto difícil como consumir mucho tiempo. Afortunadamente, existe una solución automatizada, que permite la creación y modificación fácil de formas intrincadas de sensor táctil.

SENSORES TÁCTILES CAPACITIVOS

Los interruptores y controles de sensor táctil capacitivo ofrecen varias ventajas sobre los interruptores mecánicos tradicionalmente utilizados en productos electrónicos. Por un lado, los sensores táctiles se implementan directamente en el cobre de un PCB. No hay partes móviles que puedan fallar o desgastarse con el tiempo. Los sensores táctiles capacitivos también están diseñados para funcionar a través de una variedad de cubiertas, incluyendo plástico, vidrio, plexiglás, máscara de soldadura, cartón y madera, así como muchos otros materiales. Su cubierta superficial los hace resistentes a sustancias que podrían ser dañinas para un interruptor manual, como agua, humedad, polvo, suciedad, grasa, químicos agresivos y agentes de limpieza.

Dados estos beneficios de los sensores capacitivos, la pregunta se convierte en, ¿cómo puedes implementarlos en tus dispositivos electrónicos? Los interruptores y controles táctiles utilizados en productos electrónicos pueden fabricarse de manera económica y pueden venir en diferentes versiones, como pines táctiles y en placas de desarrollo. Los productos en los que se incorporan suelen ser más intuitivos que los componentes mecánicos tradicionales, son más fáciles de mantener y ofrecen una calidad general más alta y una fiabilidad a largo plazo.

Ejemplos de aplicaciones prácticas de sensores táctiles capacitivos se pueden encontrar en todo, desde electrodomésticos y electrónica de consumo hasta controles industriales y equipos marinos, dispositivos móviles y PCs y periféricos, dispositivos médicos y muchos otros.

TECNOLOGÍA TÁCTIL CAPACITIVA

Para este tutorial sobre sensores táctiles capacitivos, se define la detección táctil capacitiva como la activación cuando un dedo humano se acerca a un electrodo sensor táctil capacitivo grabado en cobre en un PCB. Esto provoca que la capacitancia del electrodo sensor cambie. Este cambio en la capacitancia se detecta en una entrada de microcontrolador de propósito general, o en una entrada de dispositivo de control táctil dedicado, conectada al electrodo sensor. El microcontrolador o dispositivo de control táctil actualizará entonces el estado de una o más señales de pin de control de salida digital en una respuesta programada específica al cambio de detección capacitiva reconocido por un electrodo sensor específico.

Hay dos tipos diferentes de detección capacitiva. Se denominan Detección de Auto-Capacitancia y Detección de Capacitancia Mutua.

La Detección de Auto-Capacitancia ocurre cuando la presencia de un dedo humano aumenta la capacitancia de un único electrodo sensor. Este aumento en la capacitancia se procesa entonces como se describió anteriormente.

La Detección de Capacitancia Mutua ocurre cuando la presencia de un dedo humano disminuye el acoplamiento mutuo entre dos electrodos sensores emparejados. Cuando se detecta esta caída en la capacitancia (en el electrodo receptor), se procesa entonces como se describió anteriormente.

Figura 1 - Detección de Auto-Capacitancia a la izquierda y Detección de Capacitancia Mutua a la derecha

FORMAS DE LOS SENSORES TÁCTILES

Los sensores táctiles consisten principalmente en tres tipos generales: Botones, Deslizadores y Ruedas.

Los Botones permiten un control de alternancia desde un único punto de contacto de detección táctil capacitiva. Por ejemplo, si tocas cierto botón sensor una vez, un circuito de iluminación se activa. Si tocas el mismo sensor de Botón nuevamente, el circuito de iluminación se desactiva.

Los Deslizadores permiten un control de nivel desde un punto mínimo hasta un punto máximo. Por ejemplo, si tocas cierto deslizador en su punto mínimo, el circuito de iluminación conectado se ajustará al nivel de luz más tenue. Ahora arrastra tu dedo desde ese punto inicial a lo largo del sensor deslizador hacia el punto máximo, y el circuito de iluminación aumenta gradualmente en brillo.

Para los sensores de Rueda, quizás el ejemplo más común es el control de volumen. Toca y arrastra tu dedo en el sentido de las agujas del reloj a lo largo de la rueda para aumentar el volumen del audio de tu dispositivo. Toca y arrastra tu dedo en sentido contrario a las agujas del reloj alrededor del sensor de rueda, y el nivel de volumen disminuye. Entre Botones, Deslizadores y Ruedas, puedes controlar prácticamente cualquier dispositivo con solo un simple toque.

Ahora que tenemos un entendimiento básico de cómo funcionan los sensores táctiles, veamos cómo pueden implementarse en un diseño de PCB con detección capacitiva. En la figura a continuación, se muestran un Botón, Deslizador y Rueda implementados como sensores de tipo Auto-Capacitancia en la capa de Cobre Superior. Debajo hay otro conjunto de ejemplo de un Botón, Deslizador y Rueda, esta vez implementados como sensores de tipo Capacitancia Mutua en ambas capas de Cobre Superior e Inferior (los sensores de Capacitancia Mutua están configurados como pares de electrodos sensoriales).

Figura 2 - Botón, Deslizador y Rueda implementados como Sensores de Auto Capacitancia arriba y Sensores de Capacitancia Mutua abajo

Los electrodos de los sensores táctiles, especialmente el sensor de rueda, tienen formas muy complicadas. Crear manualmente tales formas en su software de Diseño de PCB es una tarea tremendamente desafiante y que consume mucho tiempo, incluso para los diseñadores de PCB más experimentados. Ahora piense en redimensionar o modificar los detalles de los sensores existentes, si es necesario. Sin una forma fácil y automatizada de crear o modificar los electrodos de sensores táctiles capacitivos, podría ser difícil incluso considerar la implementación de sensores capacitivos, a pesar de sus numerosas ventajas. Afortunadamente, hay una forma fácil y automatizada de hacerlo. Veamos un método para crear y modificar fácilmente las formas complejas y configuraciones físicas de los electrodos de sensores táctiles.

CONFIGURAR BIBLIOTECAS DE SENSORES TÁCTILES

Estas formas pueden parecer complicadas al principio, pero puedes dimensionarlas y configurarlas fácilmente para satisfacer tus necesidades. Altium Designer incluye bibliotecas especiales y configurables específicas para sensores táctiles de Atmel, Cypress y Microchip. Cada biblioteca es configurable a los requisitos detallados y específicos del proveedor para la forma, tamaño y diseño de cada tipo de sensor y tecnología.

Estas capacidades y bibliotecas específicas del proveedor deben habilitarse dentro de las Extensiones de Altium Designer y el panel de Actualización Configurar Plataforma. El soporte específico del proveedor para Sensor Táctil es fácil de habilitar, yendo a DXP » Extensión y Actualizaciones » Instalado (pestaña) » Configurar (enlace) y habilitando las opciones de Soporte de Sensor Táctil: Atmel QTouch, Cypress CapSense y Microchip mTouch, como se muestra en la figura a continuación.

Figura 3 - Habilitando las opciones de Soporte de Sensor Táctil para Atmel, Cypress y Microchip

Después de habilitar estas capacidades, reinicie Altium Designer (la habilitación no requiere una licencia adicional). Las bibliotecas específicas de sensores táctiles de los proveedores ahora se pueden encontrar en la carpeta pública /Libraries dentro de la instalación de Altium Designer, y están listas para agregar al panel de Bibliotecas. La figura a continuación muestra las bibliotecas integradas ‘Atmel QTouch.IntLib’, ‘Cypress CapSense.IntLib’ y ‘Microchip mTouch.IntLib’, instaladas y disponibles dentro del panel de Bibliotecas. Los símbolos esquemáticos específicos para el tacto configurables ahora pueden colocarse y configurarse fácilmente.

Figura 4 - Bibliotecas de Sensores Táctiles Disponibles

Cada una de estas bibliotecas de sensores táctiles específicas del proveedor contiene un conjunto de símbolos esquemáticos, representando cada posible tipo de diseño de electrodo de sensor específico del proveedor: Botón, Deslizador o Rueda. Los símbolos se colocan en el esquemático y se conectan a su respectiva circuitería controladora táctil, exactamente de la misma manera que se colocaría y conectaría cualquier otro componente. Sin embargo, lo que es único de estos símbolos es el botón de Configuración en la esquina inferior izquierda de su panel de propiedades. Este botón le permite configurar el tipo y las dimensiones físicas precisas del diseño del electrodo del sensor. Un símbolo de sensor táctil configurable es de tipo ‘Estándar (Sin BOM)’, ya que representa una forma que se grabará directamente en cobre, en lugar de un componente poblado físico.

CONFIGURANDO UN SÍMBOLO DE SENSOR TÁCTIL

Los símbolos colocados desde las bibliotecas de sensores táctiles específicas del proveedor deben configurarse a un tipo específico y dimensiones físicas específicas, según los requisitos de diseño eléctrico y mecánico. En el panel de propiedades de un símbolo de sensor táctil colocado, la sección Modelo está completamente vacía, ya que no hay un modelo de huella asociado con el símbolo. Esto se debe a que la configuración especificada por el usuario dentro del símbolo se utiliza para generar el diseño automáticamente cuando se ejecuta una Actualización a PCB ECO.

Figura 5 - Configurando la Altura, Ancho y Espacio de un sensor Deslizador Atmel QTouch

La figura anterior muestra un diálogo de Configuración de un símbolo de Deslizador Atmel QTouch de tamaño mediano, donde se especifican las dimensiones de Altura, Ancho y Espesor del Espacio del sensor Deslizador. Si se ingresan valores inválidos, no serán aceptados, y un mensaje mostrará el rango de valores aceptables. Después de ejecutar una Actualización a PCB ECO, la huella resultante del sensor se puede colocar en cualquier capa de señal, posicionada, movida o rotada, justo como la huella de un componente regular.

Al igual que con cualquier componente estándar, se ha establecido un enlace de componente dentro del proyecto, asociando el footprint del sensor táctil capacitivo en el documento PCB con su símbolo en el documento esquemático. En las propiedades de un footprint de sensor capacitivo, también hay un diálogo de Configuración idéntico al del símbolo. Esto significa que el footprint del sensor táctil colocado puede ser reconfigurado dinámicamente en el documento PCB. La configuración resultante puede luego sincronizarse de nuevo con el símbolo del sensor táctil en el esquemático realizando una Actualización al Esquemático ECO.

EJEMPLO DE DISEÑO DE SENSOR TÁCTIL

Una vez que todos los sensores están colocados, pueden entonces ser conectados a su circuito controlador. Cada proveedor proporciona directrices y mejores prácticas para la colocación y conexión de los sensores. También están disponibles directrices y mejores prácticas específicas de cada proveedor para diseñar el circuito controlador del sensor táctil requerido. Las hojas de datos de microcontroladores específicos del proveedor o dispositivos controladores táctiles de propósito dedicado detallarán exactamente lo que se requiere en términos de los componentes activos y pasivos de soporte necesarios para controlar los canales individuales del sensor táctil.

La figura a continuación muestra un diseño de sensor táctil capacitivo completado, consistiendo en nueve Botones, un Deslizador y una Rueda. También tiene dos dispositivos controladores de sensor táctil de propósito dedicado. El diseño se basó en dos dispositivos Atmel QTouch AT42QT2100, y los footprints de los sensores táctiles fueron creados usando ‘Atmel QTouch.IntLib’ y la capacidad de generación de soporte de sensor táctil asociada dentro de Altium Designer.

La Rueda y el Deslizador se redimensionaron varias veces por consideraciones mecánicas durante el diseño de la placa. Se ahorraron muchas horas utilizando la generación automática de footprint de sensor, que creó y modificó posteriormente estas formas complejas de cobre intrincadas.

Figura 6 - Panel táctil con 9 Botones, 1 Deslizador y 1 Rueda controlados por 2 dispositivos Atmel AT42QT2100

CONCLUSIÓN

La tecnología de sensores táctiles ofrece enormes beneficios sobre los componentes de interruptores mecánicos tradicionalmente utilizados en controles de interfaz. Crear o modificar manualmente los electrodos de sensor táctil complejos y de formas intrincadas en un diseño de PCB puede ser una tarea ardua. Sin embargo, utilizar un enfoque automatizado al crear o modificar electrodos de sensor táctil capacitivo en un diseño ahorra tiempo y produce resultados precisos de manera predecible, de acuerdo con los requisitos específicos del proveedor. El soporte de Sensor Táctil en Altium Designer facilita la creación y modificación de los tutoriales de diseño de sensor táctil capacitivo de manera fácil, predecible y precisa a las especificaciones del proveedor.