Исследование и разработка координатных датчиков для емкостных сенсорных экранов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Волков, Александр Юрьевич

• Волков, Александр Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волков, Александр Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. cobpemeiiiюе состояние техники се! icopiюго экранного ввода.

1.1.1. Оптические сенсорные экраны.

1.1.2. Резистивные сенсорные экраны.

1.1.3. Емкостные сенсорные экраны.

1.1.4. Акустические сенсорные экраны.

1.1.5. Сравнение различных сенсорных технологий.

1.2. Емкостные сенсорные экраны.

1.2.1. Предэкранная панель.

1.2.2. Контроллер сенсорного экрана.

1.2.3. Программные средства ЕСЭ.

1.3. Емкостные координат! ю-чувствительные датчики.

2. ПЛЕНОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ ПРЕДЭКРАННЫХ СЕНСОРНЫХ ПАНЕЛЕЙ.

2.1. Анализ методов нанесения и свойств покрытий оксидных пленок олова и индия.

2.1.1. Анализ методов нанесения оксидных пленок олова и индия.

2.1.2. Метод химического осаждения покрытий из парогазовой фазы.

2.1.3. Получение тонких пленок распылением материалов ионной бомбардировкой.

2.1.4. Ионно-лучевое распыление.

2.1.5. Ионно-плазменное распыление.

2.1.6. Методы генерации потока осаждаемого вещества термическим испарением.

2.1.7. Получение резистивных покрытий.

2.1.8. Анализ резистивных свойств покрытий оксидных пленок олова и индия.

2.2. Методы koi ггроля параметров и характеристик пленок Sn02:In

2.2.1. Метод отражательной интерферометрии.

2.2.2. Эллипсометрический метод.

2.2.3. Визуальный цветовой метод контроля.

2.2.4. Резистивныйметод контроля.

2.2.5. Емкостной мет од контроля.

2.2.6. Метод микровзвешивания.

2.2.7. Оптические методы контроля.

2.2.8. Оптимальность методов для решения задачи тестирования сенсорной панели.

2.3. Разработка методов экспресс-анализа контроля качества пленочных покрытий емкостных ceiicopi1ых панелей.

2.3.1. Особенности устройства предэкранной панели.

2.3.2. Проблемы настройки емкостных сенсорных экранов.

2.3.3. Постановка решаемой задачи.

2.3.4. Определение ослабления светового излучения.

2.3.5. Технические особенности определения светового потока.

2.3.6. Нейтрализация помех.

2.3.7. Метод определения однородности поверхностного сопротивления.

2.3.8. Метод определения однородности состава напыленного слоя.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка координатных датчиков для емкостных сенсорных экранов»

Первые сенсорные экраны появились в середине 70-хх годов. В последующие годы ведущие европейские и американские фирмы развернули исследования и разработки сенсорных экранов, основанных на различных технологиях и принципах действия. К середине восьмидесятых годов наблюдается устойчивый рост производства сенсорных экранов и расширение сфер их применения. Сенсорные экраны в это время рассматриваются как новое, весьма эффективное средство ввода информации в компьютерные системы, способные во многих применениях заменить традиционные средства ввода, такие как клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, световое перо.

По мере технического совершенствования сенсорных экранов растет интерес к их использованию в различных областях применения: в информационно-справочных системах, автоматизированном обучении, в системах управления производственными процессами, в военной электронике. В одних применениях сенсорные экраны могут полностью заменить традиционную клавиатуру, в других - служат дополнительным средством, обеспечивающим пользователю удобный интерфейс [1,2].

В системах с сенсорными экранами пользователь имеет возможность инициировать задачи управляющей ЭВМ, дотрагиваясь кончиком пальца до элементов изображения на экране дисплея. С помощью программных средств на экране сенсорного дисплея могут формироваться любые нестандартные клавиатуры, отличные от физической клавиатуры компьютера. Благодаря перепрограммированию сенсорных зон на экране в соответствии с прикладной задачей, можно использовать сравнительно небольшой набор функциональных клавиш для задания практически неограниченного числа действий оператора [3,4,5].

При достаточной разрешающей способности сенсорного экрана пользователь может манипулировать элементами графических изображений на экране дисплея, реализуя задачи, предусмотренные прикладной программой, без использования манипуляторов (управляющие рукоятки, трек-болл, мышь).

Для современного этапа развития сенсорных экранов характерно использование различных физических принципов и технических средств для целей сенсорного ввода информации. К основным методам сенсорного ввода, получившим наибольшее развитие, относятся оптический, резистивно-мембранный, емкостной и акустический. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки; предпочтение тому или иному типу сенсорного устройства зависит от специфики применения и требуемых технических характеристик [1,6,7].

Уровень развития техники сенсорного экранного ввода за рубежом достаточно высок. Сенсорные экраны выпускаются применительно к различным типам дисплеев (ЭЛТ, ЖКИ, ЭЛИ, ГРИ) и для решения разных задач. Сенсорный экран может поставляться как дополнительное комплектующее изделие для конкретного дисплея или в виде интегрированного элемента дисплейного комплекса. В настоящее время сенсорные экраны выпускают такие известные фирмы как Micro Touch, Elo TouchSystems, AT&T, Diqitel Equipment, Carroll Touch Inc, Hewlett-Packard и многие другие.

Co времени появления первых образцов и организации промышленного производства сенсорных экранов они прошли несколько этапов в своем развитии. Начало 80-хх годов - это этап становление базовых конструкций, создание необходимых аппаратных и программных средств и подтверждение эффективности применения сенсорных экранов в различных областях. К началу 90-хх годов появились изделия второго поколения, для которых были характерны улучшенные технико-экономические показатели, высокая надежность и наличие программных средств, позволяющих использовать сенсорные экраны в разных операционных средах, в том числе и в операционной системе Windows. Это не только обеспечило возможность использования существующего программного обеспечения, но и открыло доступ к компьютерным и информационным ресурсам в развлекательной, художественной и музыкальной областях.

Прогнозы зарубежных аналитиков, относящиеся к середине 80-хх годов [8], о том, что сенсорные экраны находятся на пороге широкого внедрения в аппаратуру массового применения, не оправдались. Основной причиной можно считать высокую стоимость сенсорных экранов, особенно высококачественных, которая составляла на рубеже 90-хх годов примерно половину стоимости среднего по качеству компьютера. Тем не менее, можно говорить о третьем этапе в развитии сенсорных экранов, который можно датировать началом текущего столетия. К этому времени достигнуты почти предельные технические параметры выпускаемых моделей сенсорных экранов, созданы специализированные микроконтроллеры сенсорных экранов, благодаря совершенствованию технологии изготовления и увеличения выпуска изделий начинается заметное снижение розничных цен.

На отечественном рынке сенсорные технологии практически появились к началу 2000 года. В основном это были сенсорные информационные киоски на базе зарубежной техники, предназначенные для установки на вокзалах, в гостиницах, музеях, банкоматах и т.п.

В нашей стране также ведутся работы в области создания сенсорных устройств ввода информации. В отечественной практике предпочтение отдается оптическим системам на ИК-лучах, в меньшей степени емкостным и резистивным системам. Известны отдельные разработки сенсорных многофункциональных клавиатур и экранов [4, 9-14]. Однако отечественные разработки в области сенсорного экранного ввода заметно отстают от зарубежного уровня. Одной из причин является отставание в развитии компьютерной техники. «Отверточная технология» не способствует разработке собственных периферийных изделий, к которым относятся сенсорные экраны.

Тем не менее, определенные успехи в этой области есть. Выше указывалось на создание отечественных экранных клавиатур на различных принципах действия. В СПбГЭТУ «ЛЭТИ» был разработан оптический сенсорный экран ИФК- 9004. На кафедре электронных приборов и устройств ГЭТУ в течение ряда лет проводились научно исследовательские работы в области емкостных координатно-чувствительных датчиков, предназначенных для построения функциональных клавиатур, манипуляторов и сенсорных экранов. Были разработаны аппаратно-программные средства датчиков, а также образцы устройств сенсорного управления и ввода информации. Была достигнута разрешающая способность 100 точек на кв.см., скорость отклика на тактильное воздействие оператора 50 мс, координатная ошибка до 5 % в активной области сенсорного экрана.

Эти результаты можно считать вполне приемлемыми для сенсорных функциональных клавиатур, но не достаточными для высокоточного графического интерфейса с сенсорным экраном.

Цель данной работы - экспериментально-теоретическое исследование и разработка емкостных координатно-чувствительных датчиков с улучшенными характеристиками для сенсорных устройств ввода информации и управления. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• исследование особенностей тактильного очувствления сенсорных панелей емкостного типа,

• экспериментально-теоретический анализ факторов, влияющих на разрешающую способность и точность определения координат прикосновения,

• исследование и разработка экспресс-методов контроля качества пленочных покрытий сенсорных панелей,

• экспериментально-теоретическое исследование емкостных координатных датчиков и чувствительных элементов предэкранных сенсорных панелей.

Реализация этих задач определяет практическую ценность работы, которая заключается в следующем.

• Разработка экспресс-метода контроля пленочных покрытий сенсорных панелей с помощью сканирующей системы, позволяющего на больших площадях определять распределение поверхностного сопротивления и нарушение стехиометрического состава слоя оксида олова (индия).

• Разработка емкостных координатно-чувствительных датчиков с высокой чувствительностью, помехоустойчивостью, линейностью выходной характеристики и инвариантностью. На этой основе возможно построение емкостных сенсорных экранов, не уступающих по своим параметрам лучшим зарубежным аналогам.

Научная новизна работы можно характеризовать следующим образом:

Разработана оригинальная математическая модель, позволяющая проводить поиск оптимальной конфигурации электродных систем, обеспечивающей однородность электрического поля на поверхности предэкранной сенсорной панели.

Исследован и реализован оптический метод контроля качества пленочных покрытий окислов олова-индия с помощью сканера.

Разработан новый способ возбуждения предэкранной сенсорной панели, обеспечивающий существенное улучшение технических характеристик сенсорных устройств ввода и управления.

Научные положения, выносимые на защиту

- разностная картина оптического пропускания слоя SnCb, осажденного на стекле, в спектральных областях, соответствующих оптической прозрачности и поглощению позволяет определить наличие включений при содержании последних в слое, превышающем 2% объема.

- Выравнивание потенциалов экранирующего слоя предэкранной сенсорной панели и управляющих электродов позволяет повысить чувствительность емкостного координатного датчика в 5.7 раз.

- Раздельные электроды из набора дискретных контактных площадок позволяют увеличить точность определения координат касания в 4.6 раз, за счет линеаризации поля на поверхности сенсорной панели.

Струюура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 56 наименований и трех приложений. Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста. Работа содержит 57 рисунков и 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Волков, Александр Юрьевич

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Волков, А. Ю. Оптический метод контроля качества емкостных сенсорных панелей / А. Ю. Волков, В. А. Степанов // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. Физика твердого тела и электроника. - 2004. - Вып.1. - С. 54-59

2. Волков, А. Ю. Оптический метод определения основных параметров пленочных покрытий емкостных сенсорных панелей / А. Ю. Волков, В. А. Степанов //Вакуумная техника и технология. -2005. - Т. 15, №2. - С. 191-196

3. Волков, А. Ю. Определение дефектов пленочных покрытий сенсорных панелей с помощью сканера / А. Ю. Волков, В. А. Степанов //Вакуумная техника и технология. - 2006 - Т. 16, № 1. - С.65-72

4. Волков, А. Ю. Оптические методы контроля качества емкостных сенсорных панелей / А. Ю. Волков, В. А. Степанов // Юбилейная 60-я научно-техническая конференция, посвященная Дню радио: материалы конференции, г. Санкт-Петербург, апр. 2005 г. - СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. - С. 185186

5. Патент на полезную модель №57011 - устройство контроля качества емкостных сенсорных панелей.

Заключение

В настоящей работе проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на создание современного емкостного сенсорного экрана. Обнаружены факторы, влияющие на параметры сенсорного экрана, и разработаны методы для повышения его характеристик. Разработаны и опробованы оптические методы контроля сенсорных панелей, произведена принципиальная модернизация схемы контроллера и рассчитана оптимальная конфигурация электродов. Основываясь на полученных результатах, создан емкостной сенсорный экран, включающий предложенные решения, обладающий лучшими параметрами, чем предыдущие версии. В составе драйвера сенсорного экрана создана оптимизированная модель определения точки касания, которая позволила продемонстрировать преимущества разработанного варианта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Волков, Александр Юрьевич, 2006 год

1. Быстров Ю.А., Степанов В.А. Сенсорные экраны // Обзоры по электронной технике,- Сер.4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. -1989. - Вып.З.

2. Petersen Erick. Touch screens find a home on the factory floor // I and CS. -1991.-64,N5.-P. 59-62,67.

3. Quinnell Richard A. Touch technology improws and extends its options // EDN. 1995. - 40, N23. - P. 52-62.

4. English Erin. Touch-screen technology takes off // Computer. 1995. - 28, N2. - P.7-10.

5. Jloy JI. Пульт с сенсорным экраном для контроля и управления состоянием оборудования в сети // Электроника. 1982. - N7. - С. 6-7.

6. Knight В., Oliver М Aversatile human interfase for industrial control // Electronices and Power. 1984. - 30, N3. - P. 222 - 224.

7. Флайн P. Последние тенденции в области панелей управления и терминальных устройств // Экспрес-информация. Сер. Приборы и элементы автоматики и вычислительной техникию. М.: ВИНИТИ, 1987. - N.19. С. 1-6.

8. Costlow Terry/ Touch-sensitiver systems gain ground for data entry//Electron design.-№8 1984 C.53-54

9. Глейбман Э.М., Михеев B.M., Тарасов B.B. Функциональный терминал системы управления ускорителем // Приборы и системы управления. 1985. -N.7. - С. 37-39.

10. Ю.Степанов В.А. Плазменный дисплей с сенсорным экраном // Межвуз. сб. науч. тр. " Вакуумная и плазменная электроника". Рязань, 1993. С.93-97.

11. Bailey S.J. From deskter to plant flor: a CRT is the control operator's window the prosess // Control Ingineering. 1984. -31, N.6. - P. 86-90.

12. Touch Panel // Autom. Precision. 1995. - 16, N.8. - P.10.

13. LCD-Touch Terminal // Ind.- Elek.+Elekton. 1995. - N.10. - P. 148.

14. Петух A.M., Силагин A.B. Предэкранный ввод информации в диалоговых вычислительных комплексах // Микропроцессорные средства и системы. 1988. - N.2. - С.86-88.

15. Eingabe mit Stift und Finger // Ind.-Anz. 1995. - 117, N.35. - P. 45.

16. Wehrer Wayne. The right touch for control //1 and CS. 1989. - 2, N2. P. 6164.

17. Shneidermen Ben. Touch screens now offer compelling usses // IEEE Soft ware. 1991. - 8, N2. - P. 93,94,97.

18. Понтая Э. Ускорение и упрощение процедуры ввода данных в компьютер с помощью сенсорных экранов // Электроника. 1984. - №8. - С. 47-52.

19. Javetski J. Touch screen displays suit multifarious applications // EDN.-1986.- V. 31.-N21.-P. 195-204.

20. Лайнбек Д. P. Фирма-разработчик нацеливается на новые рынки // Электроника.- 1984.-№23.- С.38-39

21. Улучшенный сенсорный экран малой толщины // Электроника.- 1985.-№9.-С.Ю6

22. Kazno Y., Hisashi Y., Tohru A. Capacitive touch panel using uniform resistive film // Fujitsu Sci. Tech. J. 1986,22. - N.2. - P. 124-131.

23. Bloom M. Natural Touch screen input demands hardware / software blend // Computer design.-1986.- V.25.- N 4. P. 36-42

24. Пат. 3916099 США, МКИ G08C21/00. Touch sensitive position encoder using a layereg sheet / A. M. Hlady.

25. Adler R., Desmares P. J., Fitzgibbon J. J. A treecoordinate touch system for computer displays. // SID Int. Symp., San Diego, Calif., New York, May 6-8, 1986.-Dig. Tech. Pap.- N. Y. 1986.- P. 316-317

26. Быстров Ю.А., Степанов B.A., Уткин. Сенсорный манипулятор на основе емкостного датчика // Датчики и преобразователи информации системизмерения, контроля и управления: Материалы 8-ой научн.-техн.конф.,т.2. -Гурзуф 1996.

27. Емкостной сенсорный экран / Быстров Ю.А., Гаврилов В.А., Степанов

28. B.А., Уткин В.Н. // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Материалы 2-ой международной н.-т. конф., т.2. Новосибирск, 1994.

29. Гаврилов В.А., Степанов В.А. Сенсорный экран для адаптивных систем ввода информации // Известия СПбГЭТУ: Сб. науч.трудов "Вакуумная и плазменная электроника". Спб, 1993. - Вып.455.

30. Гаврилов В.А., Степанов В.А. Сенсорный экран для персональной ЭВМ // Изв. ЛЭТИ. 1990. - Вып. 419. С. 70-74.

31. Степанов В.А., Терехов В.А. Сенсорные устройства ввода и управления // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Тез. докл. Всесоюзн. н.-т.конф., ч.2. Новосибирск, 1990. С.

32. Степанов В.А., Уткин В.Н. Программное обеспечение сенсорного экрана, используемого вместо мыши // Персональные компьютеры в проектировании и исследовании машин и механизмов: Сб.трудов международн.конф. Спб., 1996. - С. 103-105.

33. Никитин М.М. Технология и оборудование вакуумного напыления. -Москва: Металлургия, 1992.

34. Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. Москва: Машиностроение, 1991.

35. Степанов В.А., Уткин В.Н. Емкостные координатно-чувствительные датчики // Петербургский журнал электроники. №3-4. - 2000 г. - С. 31.

36. Степанов В.А., Уткин В.Н. Емкостные координатно-чувствительные датчики // Петербургский журнал электроники. №1. - 1997 г. - С. 54-60.

37. Быстров Ю. А., Колгин Е.А., Котлецов Б.Н. Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. //, "Радио и связь" Москва. -1988.1. C. 104-139.

38. Иваницкий В.М., Степанов В.А. Устройство ввода информации с сенсорным экраном // Методы и средства оперативного ввода информации в вычислительных системах: Материалы семинара, Москва. 1987. - С.72-73.

39. Гаврилов В.А., Степанов В.А., Уткин В.Н. Программное обеспечение сенсорных экранов // Компьютерные технологии обучения: Материалы межвуз. научно-метод. конф. "Современные технологии обучения в гуманитарном вузе". Спб.: СПбГУП, - 1994. - Вып. 3.

40. Степанов В.А., Уткин В.Н. Методика настройки емкостных сенсорных экранов // Изв. СПбГЭТУ: Сб. научн. тр. Спб, 1994. С. 10 -14.

41. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М., 1972

42. Дудонис Ю., Пранявичус А. Модификация свойств твердых тел ионными пучками. Вильнюс: Мокслас, 1980.

43. Ионная имплантация / Под ред. Дж. К. Хирвонена. М.: Металлургия,1985

44. Технология тонких пленок: Справочник. Т. 1/ Под ред. JI. Майселла, Р. Глэнга.- М.: Советское радио, 1977.

45. Данилин Б.С., Сырчин В.К. магнетронные распылительные системы. М.: Радиосвязь. 72 с.

46. Гавричков С. А., Кононов В.П. Молекулярно-лучевое и лазерное напыление пленок: технология и возможности применения. СО АН СССР. Институт физики им.Л.В. Киренского. Красноярск. 1986.

47. Глудкин О.П., Тянгинский А.Ю., Черняев В. И. Применение метода лазерной интерферометрии для исследования динамики пиролитического осаждения и свойств Si02// Электронная техника.- 1977.- Сер.З. Вып. 3(69). -С 45-50.

48. Резвый P.P. Эллипсометрия в микроэлектронике.- М.: Радио и связь, 1983. С. 36-105

49. Усанов Д. А., Короткин Б. И. Устройство для измерения толщины металлических пленок, нанесенных на диэлектрическую основу // приборы и техника эксперимента. 1985.- № 1.- С.254

50. Николаев В. Т. Микровесы с кварцевым резонатором в технологии микроэлектроники // Обзоры по электронной технике. 1973. - Вып. 1(74). - 32 с.

51. Быстров, Ю.А., Степанов В.А. Сенсорные экраны // Обзоры по электронной технике. Сер.4. 1989. - Вып. 3 - 40 с.

52. Быстров Ю.А., Колгин Е.А., Котлецов Б.Н. Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. // Радио и связь. 1988. - С. 104146.

53. Волков А.Ю., Степанов В.А Оптический метод контроля качества емкостных сенсорных панелей. //Вестник ЭТУ 2004 Вып. 2.

54. Волков А.Ю., Степанов В.А Оптический метод определения основных параметров пленочных покрытий емкостных сенсорных панелей.

55. Хомеченко А. В. Волноводная спектроскопия тонких пленок. Письма в ЖТФ. 2001.- Т. 27.- Вып. 7. С. 17-25

56. C.R. Osterwald, T.J. McMahon, J.A. del Cueto Electrochemical Corrosion of Sn02:F Transparent Conducting Layers in Thin Film Photovoltaic Modules // National Renewable Energy Laboratory

57. Umamaheswari Balasubramanian Indium Oxide as a High Resistivity Buffer Layer for CdTe/CdS Thin Film Solar //Cells Department of Electrical Engineering College of Engineering University of South Florida