कैपेसिटिव सेंसिंग

विद्युत अभियन्त्रण में, कैपेसिटिव सेंसिंग ऐसी प्रौद्योगिकी है, जिसमे कैपेसिटिव कपलिंग होती है, जो प्रवाहकीय या वायु से भिन्न स्थिरांक को ज्ञात कर सकती है और माप सकती है। निकटता, दबाव, स्थिति और विस्थापन, बल, आर्द्रता द्रव स्तर, और त्वरण को ज्ञात करने और मापने के लिए कई प्रकार के सेंसर कैपेसिटिव सेंसिंग का उपयोग करते हैं। कैपेसिटिव सेंसिंग पर आधारित मानव इंटरफ़ेस डिवाइस, जैसे टचपैड, कंप्यूटर माउस (कंप्यूटिंग) को परवर्तित कर सकते है I डिजिटल ऑडियो प्लेयर, मोबाइल फ़ोन और टैबलेट कंप्यूटर कभी-कभी कैपेसिटिव सेंसिंग टच स्क्रीन का उपयोग इनपुट डिवाइस के रूप में करते हैं। कैपेसिटिव सेंसर मैकेनिकल बटन को भी परवर्तित कर सकते हैं।

कैपेसिटिव टचस्क्रीन में सामान्यतः कम से कम दो पूरक मेटल-ऑक्साइड-अर्धचालक (सीएमओएस) एकीकृत परिपथ (आईसी) चिप्स, विशिष्ट एकीकृत परिपथ कंट्रोलर (एएसआईसी) और डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर (डीएसपी) के साथ कैपेसिटिव टच सेंसर होता है। कैपेसिटिव सेंसिंग का उपयोग सामान्यतः मोबाइल मल्टीटच डिस्प्ले के लिए किया जाता है, जिसे 2007 में एप्पल के आईफ़ोन द्वारा लोकप्रिय बनाया गया था।

डिजाइन
कैपेसिटिव सेंसर कई भिन्न-भिन्न मीडिया से बनाए जाते हैं, जैसे कॉपर, इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) और प्रिंटेड इंक है। कॉपर कैपेसिटिव सेंसर को मानक एफआर-4 पीसीबी पर प्रारम्भ किया जा सकता है। आईटीओ कैपेसिटिव सेंसर को 90% तक पारदर्शी होने की अनुमति देता है। कैपेसिटिव सेंसर का आकार और दूरी दोनों ही सेंसर के प्रदर्शन के लिए अधिक महत्वपूर्ण हैं। सेंसर के आकार के अतिरिक्त, और ग्राउंड प्लेन के सापेक्ष इसकी दूरी, अधिक महत्वपूर्ण होते है। चूँकि संवेदक की परजीवी कैपेसिटिव विद्युत क्षेत्र ग्राउंड से संबंधित है, इसलिए ग्राउंड प्लेन का चयन करना महत्वपूर्ण है जो ई-फ़ील्ड लाइनों की सांद्रता को सीमित करता है जिसमें कोई प्रवाहकीय वस्तु उपस्तिथ नहीं होती है।

कैपेसिटेंस सेंसिंग प्रणाली को डिजाइन करने के लिए पूर्व सेंसिंग मटीरियल (एफआर4, फ्लेक्स, आईटीओ, आदि) के प्रकार के चयन करने की आवश्यकता होती है। और इस वातावरण को अध्ययन करना आवश्यक है जिसमें डिवाइस कार्य करता है, जैसे कि पूर्ण ऑपरेटिंग तापमान श्रेणी में कौन सी रेडियो आवृत्ति उपस्तिथ हैं और उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस के साथ कैसे इंटरैक्ट करता है।

कैपेसिटिव सेंसिंग प्रणाली दो प्रकार के होते हैं: म्यूचुअल कैपेसिटेंस, जहां वस्तु पंक्ति और स्तंभ इलेक्ट्रोड के मध्य पारस्परिक युग्मन को परवर्तित कर देती है, जो क्रमिक रूप से स्कैन किए जाते हैं; और स्वयं पूर्ण कैपेसिटिव जहां वस्तु सेंसर को लोड करती है या ग्राउंड पर कैपेसिटिव को बढ़ाती है। दोनों ही स्तिथियों में, वर्तमान निरपेक्ष स्थिति से पूर्ववर्ती के अंतर में गति उत्पन्न करता है। प्रौद्योगिकियों को निम्नलिखित अनुभाग में विस्तृत किया गया है।

सतह कैपेसिटिव
इस प्रौद्योगिकी में, इन्सुलेटर का केवल पक्ष प्रवाहकीय उपयोग किया जाता है। इस परत पर छोटा वोल्टेज लगाया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप समान इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र होता है। जब विद्युत सुचालक, जैसे कि मानव उंगली, बिना परत वाली सतह को छूता है, तो संधारित्र गतिशील रूप से बनता है। सतह के प्रतिरोध के कारण, प्रत्येक कोने को भिन्न प्रभावी कैपेसिटिव के लिए मापा जाता है। सेंसर का मिक्रोकंट्रोलर पैनल के चारों शीर्ष से मापी गई कैपेसिटेंस में परिवर्तन के अप्रत्यक्ष रूप से स्पर्श का स्थान निर्धारित कर सकता है: कैपेसिटेंस में परिवर्तन जितना बड़ा होगा, स्पर्श उस शीर्ष के उतना ही निकट होगा। बिना गतिमान भागों में यह मध्यम रूप से जटिल होता है, किन्तु इसका रिज़ॉल्यूशन कम है, परजीवी कैपेसिटिव कपलिंग से संकेतों का संकट होता है, और निर्माण के समय अंशांकन की आवश्यकता होती है। इसलिए, यह अधिकांशतः सरल अनुप्रयोगों जैसे औद्योगिक नियंत्रण और इंटरैक्टिव कियोस्क में उपयोग किया जाता है।

अनुमानित कैपेसिटिव
अनुमानित कैपेसिटिव टच (पीसीटी) ऐसी प्रौद्योगिकी है जो प्रवाहकीय परत को माइक्रोफैब्रिकेशन द्वारा अधिक त्रुटिहीन और संचालन की अनुमति देता है। कार्तीय समन्वय प्रणाली में X-Y ग्रिड या इलेक्ट्रोड के ग्रिड पैटर्न बनाने के लिए परत को माइक्रोफैब्रिकेशन करके बनाया जाता है, ग्रिड बनाने के लिए लंबवत रेखाओं या पटरियों के साथ प्रवाहकीय सामग्री की दो भिन्न-भिन्न, समानांतर परतों को माइक्रोफैब्रिकेशन करके बनाया जाता है; कई लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले (एलसीडी) में पाए जाने वाले पिक्सेल ग्रिड के समान होते है। पीसीटी का अधिक रेजोल्यूशन बिना किसी सरलता से संपर्क के संचालन की अनुमति देता है, जैसे कि संवाहक परतों को सुरक्षात्मक इन्सुलेट परतों के साथ उपयोग किया जा सकता है, और स्क्रीन रक्षक के नीचे, या मौसम और बर्बर प्रूफ ग्लास के पीछे भी कार्य कर सकता है। चूंकि पीसीटी की ऊपरी परत कांच की होती है, इसलिए पीसीटी प्रतिरोधी स्पर्श प्रौद्योगिकी की तुलना में अधिक शक्तिशाली समाधान है। कार्यान्वयन के आधार पर, सक्रिय या निष्क्रिय स्टाइलस का उपयोग उंगली के अतिरिक्त या उसके स्थान पर किया जा सकता है। यह पॉइंट ऑफ़ सेल डिवाइस के साथ सामान्य है जिसके लिए हस्ताक्षर कैप्चर की आवश्यकता होती है। कार्यान्वयन और लाभ सेटिंग्स के आधार पर दस्ताने वाली उंगलियों को ज्ञात नहीं किया जा सकता है। कंडक्टिव स्मज और पैनल की सतह पर समान हस्तक्षेप प्रदर्शन कर सकता है। विशेष रूप से उच्च आर्द्रता वाले वातावरण में प्रवाहकीय चिन्ह अधिकांशतः चिपचिपी या पसीने वाली उंगलियों से आते हैं। एकत्रित धूल, जो उंगलियों से नमी के कारण स्क्रीन पर चिपक जाते है, इससे समस्या भी हो सकती है।

पीसीटी दो प्रकार के होते हैं: स्व कैपेसिटिव, और पारस्परिक कैपेसिटिवI

म्युचुअल कैपेसिटिव सेंसर में प्रत्येक पंक्ति और स्तंभ के परस्पर संधारित्र होता है। उदाहरण के लिए, 12-बाई-16 सरणी में 192 स्वतंत्र कैपेसिटर होते है। पंक्तियों या स्तंभों पर वोल्टेज लगाया जाता है। संवेदक की सतह के निकट उंगली या प्रवाहकीय स्टाइलस लाने से स्थानीय विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन होता है जो पारस्परिक कैपेसिटिव को कम करता है। ग्रिड पर प्रत्येक व्यक्तिगत बिंदु पर कैपेसिटिव परिवर्तन को अन्य अक्ष में वोल्टेज को मापकर स्पर्श स्थान को त्रुटिहीन रूप से निर्धारित किया जा सकता है। म्युचुअल कैपेसिटेंस मल्टी-टच ऑपरेशन की अनुमति देता है जहां एक ही समय में कई उंगलियों, हथेलियों या स्टाइली को त्रुटिहीन रूप से ट्रैक किया जा सकता है।

स्व-कैपेसिटिव सेंसर में पारस्परिक XY ग्रिड हो सकते है, किन्तु कॉलम और पंक्तियाँ स्वतंत्र रूप से कार्य करती हैं। स्व-कैपेसिटिव में प्रत्येक स्तंभ या पंक्ति पर उंगली के कैपेसिटिव लोड को ज्ञात करता है। यह कैपेसिटिव संवेदन की तुलना में शक्तिशाली संकेत उत्पन्न करता है, किन्तु अधिक अंगुलियों को त्रुटिहीन रूप से समाधान करने में असमर्थ है, जिसके परिणामस्वरूप घोस्टिंग या त्रुटिपूर्ण स्थान संवेदन होता है।

परिपथ डिजाइन
कैपेसिटेंस को सामान्यतः ऑसिलेटर की आवृत्ति को नियंत्रित करने के लिए या एसी सिग्नल के युग्मन (इलेक्ट्रॉनिक्स) के स्तर को परवर्तित करने के लिए इसका उपयोग करके अप्रत्यक्ष रूप से मापा जाता है।

साधारण कैपेसिटेंस मीटर का डिज़ाइन अधिकांशतः रिलैक्सेशन ऑसिलेटर पर आधारित होता है। ज्ञात की जाने वाली धारिता दोलक के RC या LC परिपथ का भाग है। मूल रूप से प्रौद्योगिकी अज्ञात कैपेसिटिव को ज्ञात धारा के साथ आवेशित करके कार्य 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।) कैपेसिटिव की गणना आवेशित समय को मापने के द्वारा की जा सकती है। वोल्टेज या समतुल्य, दोलक की आवृत्ति को मापकर दोनों दोलक परिपथ के RC (या LC) समय स्थिरांक के समानुपाती होते हैं।

कैपेसिटिव मापन में त्रुटि का प्राथमिक स्रोत परजीवी कैपेसिटिव है, जिसके विरुद्ध यदि सावधानी नहीं की जाती है, तो लगभग 10 pF और 10 nF के मध्य उतार-चढ़ाव हो सकता है। कैपेसिटिव (उच्च प्रतिबाधा) धारिता संकेत को परिरक्षित करके और फिर शील्ड को (कम प्रतिबाधा) ग्राउंड संदर्भ से जोड़कर अपेक्षाकृत स्थिर रखा जा सकता है। इसके अतिरिक्त, कैपेसिटिव के अवांछित प्रभावों को कम करने के लिए, संवेदन इलेक्ट्रॉनिक्स को यथासंभव सेंसर इलेक्ट्रोड के निकट रखना उत्तम अभ्यास है।

अन्य माप प्रौद्योगिकी कैपेसिटिव डिवाइडर में निश्चित आवृत्ति एसी-वोल्टेज सिग्नल प्रारम्भ करना है। इसमें श्रृंखला में दो कैपेसिटर होते हैं, एक ज्ञात मान का और दूसरा अज्ञात मान का होता है। आउटपुट सिग्नल कैपेसिटर में 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 त्रुटिहीन उपकरण व्हीटस्टोन ब्रिज के समान कैपेसिटेंस ब्रिज कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग कर सकते हैं। कैपेसिटेंस ब्रिज प्रारम्भ सिग्नल में उपस्तिथ किसी भी परिवर्तनशीलता में सहायता 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), किन्तु कम त्रुटिहीन होने के कारण प्रोजेक्टिव कैपेसिटेंस टचस्क्रीन में सुधार करता है क्योंकि यह स्पर्श के बिंदु के चारों ओर त्रिकोणीय ग्रिड बनाता है।

कैपेसिटिव सेंसिंग के लिए मानक लेखनी का उपयोग नहीं किया जा सकता है, किन्तु विशेष कैपेसिटिव स्टाइलस, जो प्रवाहकीय उद्देश्य के लिए उपस्तिथ हैं। मानक स्टाइलस के चारों ओर प्रवाहकीय सामग्री, जैसे विरोधी स्थैतिक प्रवाहकीय फिल्म को ट्यूब में रोल करके कैपेसिटिव स्टाइलस भी बना सकता है। प्रतिरोधक टचस्क्रीन की तुलना में कैपेसिटिव टचस्क्रीन का निर्माण करना अधिक मूल्य है। कुछ का उपयोग दस्ताने के साथ नहीं किया जा सकता है, और स्क्रीन पर पानी की थोड़ी सी मात्रा के साथ भी उत्तम रूप से अध्ययन करने 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 श्रृंखला प्रस्तावित की गई है। उपयोगकर्ताओं को प्रमाणित करना, स्क्रीन को छूने वाली उंगलियों के उन्मुखीकरण का अनुमान लगाना,  उंगलियों और हथेलियों के मध्य अंतर करना संभव हो गया। जबकि अधिकांश स्मार्टफोन के टचस्क्रीन के लिए कैपेसिटिव सेंसर का उपयोग किया जाता है, कैपेसिटिव छवि सामान्यतः एप्लिकेशन लेयर के संपर्क में नहीं आती है।

उच्च स्तर के इलेक्ट्रॉनिक ध्वनि के साथ विद्युत की आपूर्ति त्रुटिहीन को कम कर सकती है।

पेन कंप्यूटिंग
प्रतिरोधी टचस्क्रीन के लिए कई लेखनी (कंप्यूटिंग) डिजाइन कैपेसिटिव सेंसर पर पंजीकृत नहीं होते है क्योंकि वे प्रवाहकीय नहीं होते हैं। मुख्य रूप से उंगलियों के लिए डिज़ाइन किए गए कैपेसिटिव टचस्क्रीन पर कार्य करने वाले स्टाइलस को मानव उंगली द्वारा प्रस्तुत किए गए 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