حسَّاسات اللمس: مبدأُ عملها وأنواعُها

سنتعلم في هذا المقال  عن حسّاساتِ اللّمس. إنَّ أغلب واجهات المستخدم تعتمد في الوقت الحاضر على اللمس، فنطاق تطبيقاتها غيرُ محدود وأهمُّها الهواتفُ المحمولة والأجهزة اللوحيَّة وأجهزة الكمبيوتر الشَّخصيةوالسيارات والمصاعد وأجهزة الصراف الآلي والكاميرات وغيرها…

إذ تعد حساسات اللمس أهمَّ المكونات في تطبيقات شاشة اللمس.

مقدمة:

يعد إحساس اللمس أداةَ إحساسٍ مهمَّةً لأغلبِ الكائنات الحيّة، إذ يُعلمنا إحساسُنا اللمسيّ عندما تلامس يدانا شيئاً ما، لكن تختلف أجهزة دخل الحاسوب عن الإنسان بما يخصّ إدراكَ اللمس، لأنه لا يوجد ردُّ فعل من البرمجيّات في أثناءِ حدوث، أو استمرار اتصال مادي، أو إزالته مثل اللمس، فعلى ذلك، توفر أجهزةُ دخل الاستشعار اللمسيّ إمكاناتٍ عديدةً لتقنيات تفاعل جديدة.

تستبدل تقنيةُ حسّاسات اللمس التّجهيزاتِ الميكانيكيةَ مثلَ فأرة الحاسوب ولوحة المفاتيح.

يكشف هذا الحسّاسُ اللمسَ أو مدى القرب من دونِ الاعتماد على الاتصال المادي، وتُستخدم في تطبيقات الهواتف المحمولة والتحكم عن بُعد ولوحات التَّحكم. وفي يومنا الحالي، يُمكن استبدالُ الأزرار الميكانيكية والمفاتيح الكهربائية بحسَّاسات اللمس.

توفِرُ حساساتُ اللمس المزودة بمنزلق دوراني بسيط ولوحات اللمس- الكثيرَ من المزيّات لجعل واجهات المستخدم أكثرَ سهولة.

تعدُّ حساسات اللمس أكثر ملائمة وموثوقية من غير الأجزاء المتحركة، إذ يوفر استخدام حساسات اللمس حريةً كبيرة لمصمم النظام ويساعد في تقليل الكلفة الإجمالية للنظام، ويعطي الشكلَ الخارجي للنظام شكلاً أكثرَ جاذبيةً ومعاصرة.

مبدأ العمل:

تسمى الحساسات اللمسية أيضاً Tactile sensors وهي حساسةٌ للمس والضغط أو القُوة، التي تمثل أسهلَ حساسات اللمس المستخدمة.

يشابه مبدأ عملها مبدأَ مفتاح كهربائي switch. عندما يكون اتصالٌ بسطح حساس اللمس، فالدارة تكون مغلقة داخل الحساس وهناك تدفق للتيار، وعندما يزول الاتصال تُفتح الدارة ولا يتدفق التيار.

في الشكل التالي مبدأُ عمل الحساسات اللمسيّة:

مبدأ عمل حساس اللمس
مبدأ عمل حساس اللمس (مصدر الصورة: موقع electronicshub)

حساس اللمس السّعويCapacitive Touch Sensor

يستخدم هذا النوع من الحساسات في أغلب الهواتف المحمولة ومشغلاتِ الموسيقا «MP3»، ويُمكن أن نجدها أيضاً في التّطبيقات المنزليَّة والسيارات والتطبيقات الصّناعية.

ويعود سببُ تطورها إلى متانتها وصلابتها وتصميمها الجذاب وكلفتها.

تختلف حساساتُ اللمس عن الأجهزة الميكانيكية بأنها لا تحوي أجزاء متحركة؛ لذلك هي أكثر متانة من الأجهزة ذاتِ الدخل الميكانيكي، وتتمثل قوةُ هذه الحساسات بأنها لا تحوي فُتحات لدخول الرطوبة والغبار.

مبدأ عمل حساسات اللمس السّعوية:

إنَّ أيسرَ شكلٍ للمكثف يتكوَّن من ناقلين مفصولين بعازل، يمكن عدّ الصفائح المعدنية نواقلَ

تعطى السّعة بالعلاقة: C = ƹ0 ƹr A/d

ƹ0 سماحية الخلاء.

Ƹr ثابت العزل.

A مساحة الصفائح الناقلة.

d المسافة بين الصفائح.

تتناسب السعة طرداً مع مساحة النواقل وعكساً مع المسافة بينهما.

في حساسات اللمس السّعوية يمثل القطبُ إحدى صفائح المكثفة، وتُمثل الصفيحة الثانية بعاملين: أحدُهما بيئةُ قطب الحساس، الذي يمثل مكثفاً طفيليّاً C0 والآخر ناقلٌ ما مثلُ إصبع الإنسان، التي تشكل مكثفَ اللمس CT.

يوصل قطب الحساس إلى دارة قياس وتقاس السّعة قياساً دوريّاً.

ستزداد سعة الخَرْج إذا لامس جسمُ ناقلٍ قطبَ الحساس أو اقترب منه.

ستستشعر دارةُ القياس التّغيُّرَ الحاصلَ بالسعة وتحوله إلى إشارة قدح.

في الشكل التالي مبدأُ عمل حساس اللمس السعوي.

مبدأ عمل حساس اللمس السعوي
مبدأ عمل حساس اللمس السعوي (مصدر الصورة: موقع electronicshub)

إذا كانت مساحة قطب الحساس كبيرةً وسماكةُ مادة العازل قليلةً، فإنَّ السّعةَ CT ستكون كبيرةً، نتيجة لذلك، تختلف السعة بين اللوح الملموس وحساس اللوحي غير لمسي التي تكون أيضاً كبيرة.

مما يعني أن حجمَ قطب الحساس ومادةَ العزل سيؤثران في حساسيّة المقياس.

يُستخدم قياس السعة في تطبيقات كثيرة مثلِ: تحديد المسافة والضغط والتسارع وغيرها في تطبيقات مختلفة.

توجد طرائقُ عديدةٌ لقياس السّعة منها: التّعديلُ المطالي والتعديل الترددي وقياسُ التأخير الزمني ودورة العمل.

في حالة حساسات اللمس السعوية، فإن وجود مادة ناقلة تكون كافيةً لقدح الحمل ولا يتطلب ذلك أيّ قوة، لذا، فإنَّ خطرَ إحداثِ محفزات خاطئة أعلى في حالة حساسات اللمس السّعوية، وتزداد احتمالية حدوث أخطاء كهذه في حال وجود الرطوبة أو الماء التي تمثل نواقل جيِّدة.

تتطلب طريقة قياس السّعة في حساسات اللمس مستوىً مرجعيّاً يقع بالقرب من لوحة الاستشعار.

في حساس اللمس السعوي تُشكل حركة الأصبع السعة بين قطب الاستشعار والمستوى المرجعي

كما تمثل الزيوت على البشرة والعرق محفزات خاطئة.

للتفريق بين اللمسات المقصودة والخاطئة تُستخدم ألواح استشعار إضافية أو خوارزميات برمجيّة، وأفضل حل هو التخلُّصُ من القطب المرجعي الأرضي.

ثَمَّ نوعان من حساسات اللمس السعوية: حساسُ اللمس السعوي السطحي  surface capacitive sensing وحسَّاسُ اللمس السعوي المسقط projected capacitive sensing

عند الاستشعار السعوي السطحي يُطبق عازلٌ بطبقة ناقلة من جهة واحدة من سطحه، وفي أعلى الطبقة الناقلة تُطبق طبقةٌ رقيقة من العازل ويُطبق تيارٌ على كل زوايا الطبقة الناقلة.

عندما يلامس السطحَ ناقلٌ خارجيٌّ مثلُ إصبع الإنسان تتشكل سعة بينهما وتجذب تياراً أكبر من الزوايا.

يقاس التيار في كل زاوية وستحدد نسبة التيار مكانَ اللمس على السطح.

أما في حال الاستشعار السعوي المسقط؛ فلا يُشحن السطح بالكامل بل توضع شبكة X-Y ناقلة بين المادتين العازلتين، وتصنع هذه الشبكة غالباً من النحاس، أو الذهب المتوضع على PCB أو أكسيد قصدير الإنديوم على الزجاج، وتستخدم دارة متكاملة IC لشحنِ الشبَكة ومراقبتِها.

عندما تُسحب الشحنة بناقل خارجي مثلِ الأصابع من منطقةٍ مَا على الشَّبَكة، تحسب الدارة التكاملية موقعَ الإصبع على سطح اللمس، ويُستخدم هذا النوع من الحساسات لاستشعار إصبع لا تلامس السطح أيْ: تعمل كحساسات استشعار القرب.

حساس اللمس الأومي Resistive Touch Sensor

تُستخدم حسَّاسات اللمس الأومية مُنذ مدَّة طويلة من الحلول السعوية لبساطة دارة التحكُّم بها، إذ لا يعتمد حساس اللمس الأومي على الخاصيّة الكهربائية للسعة، وعليه، تستوعب هذه الحساسات المواد غير ناقلة مثل قلم اللوح اللمسي (القلم الإلكتروني) أو إصبع ملفوفة بقفازات وهي على عكس الحساسات السعوية التي تقيس السعة فتقوم هذه الحساسات باستشعار الضغط على السطح.

يتألف حساس اللمس الأومي من طبقتين ناقلتين تفصل بينهما نقاط متباعدة صغيرة، حيث تُصنع الطبقة السفلية من الزجاج أو الفِلم وتُصنع الطبقة العلويّة من الفيلم.

تغطى الموادّ الناقلة بطبقة فِلم معدنية غالباً أكسيد صفائح الإنديوم وهي شفافة بشكل طبيعي.

يطبق جهد بسطح الناقل عند استخدام أي مجس مثل الإصبع أو القلم الإلكتروني أو قلم، التي تستخدم لتطبيق ضغط على الطبقة العلوية للفِلم من الحساس عندها ينشط الحساس.

عند تطبيق ضغط كافي ينثني الفِلمُ العلوي للداخل ويتلامس مع الفِلم السفلي، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد وتخلق نقطةُ الاتصال تلك الشبكة مقسّمَ جهدٍ في الاتجاهات X-Y.

يكشف هذه الجهد والتغيرات فيه بمتحكم ويحسب موقع اللمس حيث يطبق الضغط بناءً على إحداثيات اللمس X-Y.

يمكن شرحُ عمل حساس اللمس الأومي بالشكل التّالي:

عمل الحساس الأومي
عمل الحساس الأومي (مصدر الصورة: موقع electronicshub)

عندما يلامس إصبع السَّطح، ستسمح المقاومة صغيرة بمرور جزءٍ من التيار خلالَه فتكتمل الدارة.

يعمل الترانزستور كمِفتاح كهربائي switch، وتُستخدم المقاومةُ Rp لحماية الترانزستور من دارات القصر للأقطاب، والمقاومةُ Rb للحفاظ على القاعدة متصلة بالأرضي عندما تكون الدارة مفتوحة أيْ: (لا يوجد تماس مع الإصبع).

عندما يلمس كلٌّ من القطبين يمرُّ تيارٌ صغير بالإصبع، ويبدل الترانزستور إل وضعَ التشغيل نتيجةً لذلك يصبح الحمل نشطاً.

في الشكل التالي دارة حساس أومي بسيط:

دارة حساس لمس أومي
دارة حساس لمس أومي (مصدر الصورة: موقع electronicshub)

تتألف هذه الدارة من قطبين وترانزستورين موصولين ليشكّلان ترانزستورَ دارلينجتون، ومقاومةً وديوداً باعثاً للضوء.

عندما تُوضع إصبعٌ على الأقطاب؛ تكتمل الدارة ويحدث تضخيم التيار.

تُستخدم المقاومة للحد من كمية التيار المار بالديود الباعثِ للضوء.

ثَمَّ ثلاثةُ أنواع من حساسات اللمس الأوميّة:

حساسُ لمسِ أوميُّ بأربعة أسلاك، وحساسُ لمس أومي بخمسة أسلاك، وحساس لمسٍ أومي بثمانية أسلاك.

حساس اللمس الأومي بأربعة أسلاك وهو الأكثر فاعليةً مِنْ حيثُ الكلفةُ، أما حساس اللمس الأومي بخمسة أسلاك فهو الأكثر متانة، وهناك شَبه بين الحساس بأربعة أسلاك والحساس بخمسة أسلاك، ولكن حساس خمسة أسلاك، جميعُ الأقطاب به تكون في الطبقة السفلية، وتعمل الطبقة العلوية فيه مجسّاً لقياس الجهد، وبسبب هذه البنية يسمح حساسُ اللمس بخمسة أسلاك بعدد أكبر من عمليات التشغيل.

أما حساس اللمس الأومي بثمانية أسلاك فتوفر كل حافَة من حافَاته خطَّ استشعار، تعمل خطوطُ الاستشعار هذه تدرجَ جهد ثابت لمتحكم اللمس، يبلغ عن مستويات الجهد الحقيقية في منطقة اللمس بخطوط الاستشعار إلى المتحكم، ويعد هذا النوع الأكثرَ دقة في حساسات اللمس الأومية.

تُستخدم الإصبع أو القلمُ الإلكترونيُّ أو القلم أو أصبع بقفازات لتطبيق ضغط على الحسَّاس اللمسي الأومي، الذي يُستخدم غالباً في البيئات القاسية.

إن زمن استجابة الحساس اللمسي الأومي أقلُّ من زمن استجابة الحساس اللمسي السعوي، فمِنْ ثَمَّ تحلّ حساسات اللمس السعوية محلَها ببطء.


المصدر: هنا

ترجمة: سها اديب, مراجعة: علي العلي, تدقيق لغوي: محمد بابكر, تصميم: علي العلي, تحرير: قحطان غانم.

 

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.