कैपेसिटिव सेंसिंग

विद्युत अभियन्त्रण में, कैपेसिटिव सेंसिंग (कभी-कभी कैपेसिटेंस सेंसिंग) एक तकनीक है, जो कैपेसिटिव कपलिंग पर आधारित होती है, जो किसी भी प्रवाहकीय या हवा से भिन्न ढांकता हुआ स्थिरांक का पता लगा सकती है और माप सकती है। कई प्रकार के सेंसर कैपेसिटिव सेंसिंग का उपयोग करते हैं, जिसमें निकटता सेंसर का पता लगाने और मापने के लिए सेंसर, कैपेसिटिव विस्थापन सेंसर | दबाव, स्थिति और विस्थापन, बल-संवेदन संधारित्र,  आर्द्रतामापी , स्तर सेंसर और  accelerometer  शामिल हैं। कैपेसिटिव सेंसिंग पर आधारित मानव इंटरफ़ेस डिवाइस, जैसे  TouchPad , माउस (कंप्यूटिंग) की जगह ले सकता है। डिजिटल ऑडियो प्लेयर,  चल दूरभाष  और टैबलेट कंप्यूटर कभी-कभी कैपेसिटिव सेंसिंग  टच स्क्रीन  का उपयोग इनपुट डिवाइस के रूप में करते हैं। कैपेसिटिव सेंसर मैकेनिकल बटन को भी बदल सकते हैं।

एक कैपेसिटिव टचस्क्रीन में आमतौर पर कम से कम दो पूरक मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (CMOS) एकीकृत परिपथ  (IC) चिप्स, एक  विशिष्ट एकीकृत परिपथ आवेदन  (ASIC) कंट्रोलर और एक डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर (DSP) के साथ कैपेसिटिव टच सेंसर होता है। कैपेसिटिव सेंसिंग का उपयोग आमतौर पर मोबाइल  मल्टीटच  डिस्प्ले के लिए किया जाता है, जिसे 2007 में Apple Inc. के iPhone द्वारा लोकप्रिय बनाया गया था।

डिजाइन
कैपेसिटिव सेंसर कई अलग-अलग मीडिया से बनाए जाते हैं, जैसे कॉपर, इंडियम टिन ऑक्साइड (ITO) और प्रिंटेड इंक। कॉपर कैपेसिटिव सेंसर को मानक FR-4 PCB के साथ-साथ लचीली सामग्री पर लागू किया जा सकता है। आईटीओ कैपेसिटिव सेंसर को 90% तक पारदर्शी होने की अनुमति देता है (एक परत समाधान के लिए, जैसे टच फोन स्क्रीन)। कैपेसिटिव सेंसर का आकार और दूरी दोनों ही सेंसर के प्रदर्शन के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं। सेंसर के आकार के अलावा, और समतल ज़मीन  के सापेक्ष इसकी दूरी, उपयोग किए जाने वाले ग्राउंड प्लेन का प्रकार बहुत महत्वपूर्ण है। चूँकि संवेदक की परजीवी समाई विद्युत क्षेत्र (ई-फ़ील्ड) पथ से जमीन से संबंधित है, इसलिए ग्राउंड प्लेन चुनना महत्वपूर्ण है जो ई-फ़ील्ड लाइनों की सांद्रता को सीमित करता है जिसमें कोई प्रवाहकीय वस्तु मौजूद नहीं है।

कैपेसिटेंस सेंसिंग सिस्टम को डिजाइन करने के लिए पहले सेंसिंग मटीरियल (FR4, Flex, ITO, आदि) के प्रकार को चुनने की आवश्यकता होती है। किसी को उस वातावरण को समझने की भी आवश्यकता है जिसमें डिवाइस काम करेगा, जैसे कि पूर्ण ऑपरेटिंग तापमान रेंज, कौन सी रेडियो फ्रीक्वेंसी मौजूद हैं और उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस के साथ कैसे इंटरैक्ट करेगा।

कैपेसिटिव सेंसिंग सिस्टम दो प्रकार के होते हैं: म्यूचुअल कैपेसिटेंस, जहां वस्तु (उंगली, प्रवाहकीय स्टाइलस) पंक्ति और स्तंभ इलेक्ट्रोड के बीच पारस्परिक युग्मन को बदल देती है, जो क्रमिक रूप से स्कैन किए जाते हैं; और स्व- या पूर्ण समाई जहां वस्तु (जैसे कि एक उंगली) सेंसर को लोड करती है या जमीन पर परजीवी समाई को बढ़ाती है। दोनों ही मामलों में, वर्तमान निरपेक्ष स्थिति से पूर्ववर्ती निरपेक्ष स्थिति का अंतर उस समय के दौरान वस्तु या उंगली की सापेक्ष गति उत्पन्न करता है। प्रौद्योगिकियों को निम्नलिखित अनुभाग में विस्तृत किया गया है।

सतह समाई
इस बुनियादी तकनीक में, इन्सुलेटर का केवल एक पक्ष प्रवाहकीय सामग्री के साथ लेपित होता है। इस परत पर एक छोटा वोल्टेज लगाया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक समान इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र होता है। जब एक विद्युत कंडक्टर, जैसे कि एक मानव उंगली, uncoated सतह को छूता है, तो एक संधारित्र गतिशील रूप से बनता है। सतह के शीट प्रतिरोध के कारण, प्रत्येक कोने को एक अलग प्रभावी समाई के लिए मापा जाता है। सेंसर का microcontroller  पैनल के चारों कोनों से मापी गई कैपेसिटेंस में परिवर्तन से अप्रत्यक्ष रूप से स्पर्श का स्थान निर्धारित कर सकता है: कैपेसिटेंस में परिवर्तन जितना बड़ा होगा, स्पर्श उस कोने के उतना ही करीब होगा। बिना गतिमान भागों के, यह मध्यम रूप से टिकाऊ है, लेकिन इसका रिज़ॉल्यूशन कम है, परजीवी कैपेसिटिव कपलिंग से झूठे संकेतों का खतरा है, और निर्माण के दौरान अंशांकन की आवश्यकता होती है। इसलिए, यह अक्सर सरल अनुप्रयोगों जैसे औद्योगिक नियंत्रण और इंटरैक्टिव कियोस्क में उपयोग किया जाता है।

अनुमानित समाई
अनुमानित कैपेसिटिव टच (पीसीटी) तकनीक एक कैपेसिटिव तकनीक है जो प्रवाहकीय परत को नक़्क़ाशी (माइक्रोफैब्रिकेशन) द्वारा अधिक सटीक और लचीले संचालन की अनुमति देती है। एक कार्तीय समन्वय प्रणाली | X-Y ग्रिड या तो इलेक्ट्रोड के ग्रिड पैटर्न बनाने के लिए एक परत को नक़्क़ाशी करके बनाया जाता है, या ग्रिड बनाने के लिए लंबवत रेखाओं या पटरियों के साथ प्रवाहकीय सामग्री की दो अलग-अलग, समानांतर परतों को नक़्क़ाशी करके बनाया जाता है; कई लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले (एलसीडी) में पाए जाने वाले पिक्सेल ग्रिड के बराबर। पीसीटी का अधिक रेजोल्यूशन बिना किसी सीधे संपर्क के संचालन की अनुमति देता है, जैसे कि संवाहक परतों को आगे की सुरक्षात्मक इन्सुलेट परतों के साथ लेपित किया जा सकता है, और स्क्रीन रक्षक के नीचे, या मौसम और बर्बर प्रूफ ग्लास के पीछे भी काम कर सकता है। चूंकि पीसीटी की ऊपरी परत कांच की होती है, इसलिए पीसीटी प्रतिरोधी स्पर्श प्रौद्योगिकी की तुलना में अधिक मजबूत समाधान है। कार्यान्वयन के आधार पर, एक सक्रिय या निष्क्रिय स्टाइलस का उपयोग उंगली के अतिरिक्त या उसके स्थान पर किया जा सकता है। यह बिक्री केन्द्र डिवाइस के साथ सामान्य है जिसके लिए सिग्नेचर कैप्चर की आवश्यकता होती है। कार्यान्वयन और लाभ सेटिंग्स के आधार पर दस्ताने वाली उंगलियों को महसूस नहीं किया जा सकता है। कंडक्टिव स्मज और पैनल की सतह पर समान हस्तक्षेप प्रदर्शन के साथ हस्तक्षेप कर सकता है। इस तरह के प्रवाहकीय धब्बे ज्यादातर चिपचिपी या पसीने वाली उंगलियों से आते हैं, विशेष रूप से उच्च आर्द्रता वाले वातावरण में। एकत्रित धूल, जो उंगलियों से नमी की वजह से स्क्रीन पर चिपक जाती है, एक समस्या भी हो सकती है।

पीसीटी दो प्रकार के होते हैं: स्व समाई, और पारस्परिक समाई।

म्युचुअल कैपेसिटिव सेंसर में प्रत्येक पंक्ति और प्रत्येक स्तंभ के प्रत्येक चौराहे पर एक संधारित्र होता है। उदाहरण के लिए, 12-बाई-16 सरणी में 192 स्वतंत्र कैपेसिटर होंगे। पंक्तियों या स्तंभों पर एक वोल्टेज लगाया जाता है। संवेदक की सतह के पास एक उंगली या प्रवाहकीय स्टाइलस लाने से स्थानीय विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन होता है जो पारस्परिक समाई को कम करता है। ग्रिड पर प्रत्येक व्यक्तिगत बिंदु पर समाई परिवर्तन को अन्य अक्ष में वोल्टेज को मापकर स्पर्श स्थान को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए मापा जा सकता है। म्युचुअल कैपेसिटेंस मल्टी-टच ऑपरेशन की अनुमति देता है जहां एक ही समय में कई उंगलियों, हथेलियों या स्टाइली को सटीक रूप से ट्रैक किया जा सकता है। स्व-समाई सेंसर में पारस्परिक समाई सेंसर के समान XY ग्रिड हो सकता है, लेकिन कॉलम और पंक्तियाँ स्वतंत्र रूप से काम करती हैं। स्व-समाई के साथ, वर्तमान प्रत्येक स्तंभ या पंक्ति पर एक उंगली के कैपेसिटिव लोड को महसूस करता है। यह आपसी समाई संवेदन की तुलना में एक मजबूत संकेत पैदा करता है, लेकिन यह एक से अधिक अंगुलियों को सटीक रूप से हल करने में असमर्थ है, जिसके परिणामस्वरूप घोस्टिंग या गलत स्थान संवेदन होता है।

सर्किट डिजाइन
कैपेसिटेंस को आमतौर पर एक ऑसिलेटर की आवृत्ति को नियंत्रित करने के लिए या एसी सिग्नल के युग्मन (इलेक्ट्रॉनिक्स) (या क्षीणन) के स्तर को बदलने के लिए इसका उपयोग करके अप्रत्यक्ष रूप से मापा जाता है।

साधारण कैपेसिटेंस मीटर का डिज़ाइन अक्सर विश्राम थरथरानवाला पर आधारित होता है। महसूस की जाने वाली धारिता दोलक के RC परिपथ या LC परिपथ का एक भाग बनाती है। मूल रूप से तकनीक अज्ञात समाई को ज्ञात धारा के साथ चार्ज करके काम करती है। (संधारित्र के लिए अवस्था का समीकरण i = C dv/dt है। इसका अर्थ है कि धारिता संधारित्र में वोल्टेज के परिवर्तन की दर से विभाजित धारा के बराबर होती है।) समाई की गणना चार्जिंग समय को मापने के द्वारा की जा सकती है। दहलीज वोल्टेज (विश्राम दोलक की), या समतुल्य, दोलक की आवृत्ति को मापकर। ये दोनों दोलक परिपथ के RC (या LC) समय स्थिरांक के समानुपाती होते हैं।

समाई मापन में त्रुटि का प्राथमिक स्रोत परजीवी समाई है, जिसके खिलाफ अगर सावधानी नहीं बरती जाए, तो लगभग 10 pF और 10 nF के बीच उतार-चढ़ाव हो सकता है। आवारा समाई को (उच्च प्रतिबाधा) धारिता संकेत को परिरक्षित करके और फिर शील्ड को (कम प्रतिबाधा) जमीनी संदर्भ से जोड़कर अपेक्षाकृत स्थिर रखा जा सकता है। इसके अलावा, आवारा समाई के अवांछित प्रभावों को कम करने के लिए, संवेदन इलेक्ट्रॉनिक्स को यथासंभव सेंसर इलेक्ट्रोड के पास रखना अच्छा अभ्यास है।

एक अन्य माप तकनीक एक कैपेसिटिव डिवाइडर में एक निश्चित आवृत्ति एसी-वोल्टेज सिग्नल लागू करना है। इसमें श्रृंखला में दो कैपेसिटर होते हैं, एक ज्ञात मान का और दूसरा अज्ञात मान का। एक आउटपुट सिग्नल तब कैपेसिटर में से एक से लिया जाता है। अज्ञात कैपेसिटर का मान कैपेसिटेंस के अनुपात से पाया जा सकता है, जो आउटपुट/इनपुट सिग्नल एम्पलीट्यूड के अनुपात के बराबर होता है, जिसे एसी वोल्टमीटर द्वारा मापा जा सकता है। अधिक सटीक उपकरण व्हीटस्टोन पुल  के समान कैपेसिटेंस ब्रिज कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग कर सकते हैं। कैपेसिटेंस ब्रिज लागू सिग्नल में मौजूद किसी भी परिवर्तनशीलता की भरपाई करने में मदद करता है।

अन्य टचस्क्रीन प्रौद्योगिकियों के साथ तुलना
प्रतिरोधक टचस्क्रीन की तुलना में कैपेसिटिव टचस्क्रीन अधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं (जो किसी भी वस्तु पर प्रतिक्रिया करते हैं क्योंकि किसी कैपेसिटेंस की आवश्यकता नहीं होती है), लेकिन कम सटीक। हालाँकि, प्रोजेक्टिव कैपेसिटेंस टचस्क्रीन की सटीकता में सुधार करता है क्योंकि यह स्पर्श के बिंदु के चारों ओर एक त्रिकोणीय ग्रिड बनाता है। कैपेसिटिव सेंसिंग के लिए एक मानक लेखनी  का उपयोग नहीं किया जा सकता है, लेकिन विशेष कैपेसिटिव स्टाइलस, जो प्रवाहकीय हैं, इस उद्देश्य के लिए मौजूद हैं। एक मानक स्टाइलस के चारों ओर प्रवाहकीय सामग्री, जैसे विरोधी स्थैतिक प्रवाहकीय फिल्म को लपेटकर या फिल्म को एक ट्यूब में रोल करके एक कैपेसिटिव स्टाइलस भी बना सकता है। प्रतिरोधक टचस्क्रीन की तुलना में कैपेसिटिव टचस्क्रीन का निर्माण अधिक महंगा है। कुछ का उपयोग दस्ताने के साथ नहीं किया जा सकता है, और स्क्रीन पर पानी की थोड़ी सी मात्रा के साथ भी सही ढंग से समझने में विफल हो सकते हैं।

म्युचुअल कैपेसिटिव सेंसर विद्युत क्षेत्र में परिवर्तनों की द्वि-आयामी छवि प्रदान कर सकते हैं। इस छवि का उपयोग करते हुए, आवेदनों की एक श्रृंखला प्रस्तावित की गई है। उपयोगकर्ताओं को प्रमाणित करना, स्क्रीन को छूने वाली उंगलियों के उन्मुखीकरण का अनुमान लगाना  और उंगलियों और हथेलियों के बीच अंतर करना संभव हो गया। जबकि अधिकांश स्मार्टफोन के टचस्क्रीन के लिए कैपेसिटिव सेंसर का उपयोग किया जाता है, कैपेसिटिव इमेज आमतौर पर एप्लिकेशन लेयर के संपर्क में नहीं आती है।

उच्च स्तर के इलेक्ट्रॉनिक शोर (इलेक्ट्रॉनिक्स) के साथ बिजली की आपूर्ति सटीकता को कम कर सकती है।

पेन कंप्यूटिंग
प्रतिरोधी टचस्क्रीन के लिए कई लेखनी (कंप्यूटिंग)  डिजाइन कैपेसिटिव सेंसर पर पंजीकृत नहीं होंगे क्योंकि वे प्रवाहकीय नहीं हैं। मुख्य रूप से उंगलियों के लिए डिज़ाइन किए गए कैपेसिटिव टचस्क्रीन पर काम करने वाले स्टाइलस को मानव उंगली द्वारा पेश किए गए ढांकता हुआ अंतर को अनुकरण करने की आवश्यकता होती है।

यह भी देखें

 * स्पर्श-समाधान निर्माताओं की सूची
 * थेरेमिन

बाहरी संबंध

 * Part 1: Fundamentals of Projected-Capacitive Touch Technology, Geoff Walker, June 2014
 * Annotated Bibliography in Touch/Pen Computing and Handwriting Recognition, Rueters-Ward Services, 2016