ในวิศวกรรมไฟฟ้าการตรวจจับแบบคาปาซิทีฟ ( บางครั้ง เรียกว่า การตรวจจับความจุ ) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ หลักการ เชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟซึ่งสามารถตรวจจับและวัดสิ่งใดก็ตามที่เป็นตัวนำหรือมี ค่า คงที่ไดอิเล็กตริกแตกต่างจากอากาศเซ็นเซอร์ หลายประเภท ใช้การตรวจจับแบบคาปาซิทีฟ รวมถึงเซ็นเซอร์สำหรับตรวจจับและวัดระยะใกล้ความดัน ตำแหน่งและการเคลื่อนที่แรงความชื้นระดับของเหลวและความเร่งอุปกรณ์อินเทอร์เฟซสำหรับมนุษย์ ที่ใช้การตรวจจับแบบคาปาซิที ฟเช่นทัชแพด [ ^{1 ] สามารถ}ใช้แทนเมาส์คอมพิวเตอร์ได้เครื่องเล่นเสียงดิจิทัลโทรศัพท์มือถือและแท็บเล็ตคอมพิวเตอร์บางครั้งจะใช้หน้าจอ สัมผัสแบบคาปาซิทีฟ เป็นอุปกรณ์ป้อนข้อมูล^{[ 2 ]}เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟยังสามารถใช้แทนปุ่มกดแบบกลไกได้อีกด้วย

โดยทั่วไปแล้วหน้าจอสัมผัสแบบ capacitive จะประกอบด้วยเซ็นเซอร์ สัมผัสแบบ capacitive พร้อมด้วยชิปวงจรรวมCMOS ( complementary metal–oxide–semiconductor ) อย่างน้อยสองตัว ตัวควบคุม วงจรรวมเฉพาะแอปพลิเคชัน (ASIC) และตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) การตรวจจับแบบ capacitive มักใช้สำหรับ จอแสดงผล มัลติทัชแบบพก พา ซึ่งได้รับความนิยมจากiPhoneของAppleในปี 2550 ^{[ 3 ] [ 4 ]}

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟสร้างขึ้นจากวัสดุหลายชนิด เช่น ทองแดงอินเดียมทินออกไซด์ (ITO) และหมึกพิมพ์ เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟที่ทำจากทองแดงสามารถนำไปใช้กับ แผ่นวงจรพิมพ์ FR4 มาตรฐาน รวมถึงวัสดุที่ยืดหยุ่นได้ ITO ช่วยให้เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟมีความโปร่งใสได้ถึง 90% (สำหรับโซลูชันแบบชั้นเดียว เช่น หน้าจอสัมผัสของโทรศัพท์) ขนาดและระยะห่างของเซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟมีความสำคัญมากต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ นอกจากขนาดของเซ็นเซอร์และระยะห่างจากระนาบกราวด์แล้ว ชนิดของระนาบกราวด์ที่ใช้ก็มีความสำคัญมากเช่นกัน เนื่องจากค่าความจุแฝงของเซ็นเซอร์เกี่ยวข้องกับ เส้นทางของ สนามไฟฟ้า (E-field) ไปยังกราวด์ จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเลือกระนาบกราวด์ที่จำกัดความเข้มข้นของเส้นสนามไฟฟ้าโดยไม่มีวัตถุที่เป็นตัวนำอยู่

การออกแบบระบบตรวจจับความจุต้องเลือกประเภทของวัสดุตรวจจับก่อน (FR4, Flex, ITO เป็นต้น) นอกจากนี้ยังต้องเข้าใจสภาพแวดล้อมที่อุปกรณ์จะทำงาน เช่น ช่วง อุณหภูมิการทำงาน ทั้งหมด ความถี่วิทยุที่มีอยู่ และวิธีที่ผู้ใช้จะโต้ตอบกับอินเทอร์เฟซ เครื่องมือต่างๆ เช่น CapExt ^{[ 5 ]} ANSYS Q3D Extractor ^{[ 6 ]}และโซลูชันจาก FastFieldSolvers ^{[ 7 ]}สามารถนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบโดยการเพิ่มความไว การจำลองสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างแม่นยำ และการปรับปรุงประสิทธิภาพภายใต้สภาวะแวดล้อมที่แตกต่างกัน

ระบบตรวจจับแบบคาปาซิทีฟมีสองประเภท:

1. ความจุร่วม^{[ 8 ]}โดยที่วัตถุ (นิ้ว ปากกาสไตลัสแบบคาปาซิทีฟ ) เปลี่ยนแปลงการเชื่อมต่อร่วมกันระหว่างอิเล็กโทรดแถวและคอลัมน์ ซึ่งจะถูกสแกนตามลำดับ^{[ 9 ]}และ
2. ความจุในตัวเอง (self-capacitance ) คือกรณีที่วัตถุ (เช่น นิ้วมือ) ไปโหลดเซ็นเซอร์หรือเพิ่มความจุปรสิตลงกราวด์

ในทั้งสองกรณี ความแตกต่างระหว่างตำแหน่งสัมบูรณ์ก่อนหน้ากับตำแหน่งสัมบูรณ์ปัจจุบันจะให้ค่าการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของวัตถุหรือนิ้วในช่วงเวลานั้น เทคโนโลยีเหล่านี้จะได้รับการอธิบายอย่างละเอียดในหัวข้อถัดไป

ในเทคโนโลยีพื้นฐานนี้ ด้านเดียวของฉนวนจะถูกเคลือบด้วยวัสดุตัวนำแรงดันไฟฟ้า เล็กน้อย จะถูกนำไปใช้กับชั้นนี้ ส่งผลให้เกิดสนามไฟฟ้าสถิตที่สม่ำเสมอ^{[ 10 ]}เมื่อตัวนำเช่น นิ้วของมนุษย์ สัมผัสกับพื้นผิวที่ไม่ได้เคลือบตัวเก็บประจุจะถูกสร้างขึ้นแบบไดนามิก เนื่องจากความต้านทานของแผ่นพื้นผิว มุมแต่ละมุมจึงมีค่าความจุประสิทธิผลที่แตกต่างกันตัวควบคุม ของเซ็นเซอร์ สามารถกำหนดตำแหน่งของการสัมผัสได้โดยอ้อมจากการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุที่วัดได้จากมุมทั้งสี่ของแผง ยิ่งการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุมากเท่าใด การสัมผัสก็จะยิ่งใกล้กับมุมนั้นมากขึ้นเท่านั้น เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ จึงมีความทนทานปานกลาง แต่มีความละเอียดต่ำ มีแนวโน้มที่จะเกิดสัญญาณผิดพลาดจากการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบ ปรสิต และจำเป็นต้องมีการสอบเทียบในระหว่างการผลิต ดังนั้นจึงมักใช้ในแอปพลิเคชันที่เรียบง่าย เช่น การควบคุมทางอุตสาหกรรมและ ตู้คีออส ก์แบบโต้ตอบ^{[ 11 ]}

เทคโนโลยีการสัมผัส แบบคาปาซิแตนซ์ที่ฉายภาพ (PCT) เป็นเทคโนโลยีแบบคาปาซิทีฟที่ช่วยให้การทำงานแม่นยำและยืดหยุ่นมากขึ้น โดยการกัดเซาะชั้นนำไฟฟ้าตาราง XYจะถูกสร้างขึ้นโดยการกัดเซาะชั้นเดียวเพื่อสร้างรูปแบบตารางของอิเล็กโทรดหรือโดยการกัดเซาะวัสดุนำไฟฟ้าสองชั้นที่แยกจากกันและขนานกัน โดยมีเส้นหรือแทร็กตั้งฉากกันเพื่อสร้างตาราง เทียบได้กับ ตาราง พิกเซลที่พบในจอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCD) จำนวนมาก ^{[ 12 ]}

ความละเอียดที่สูงกว่าของ PCT ช่วยให้สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องสัมผัสโดยตรง ทำให้ชั้นนำไฟฟ้าสามารถเคลือบด้วยชั้นฉนวนป้องกันเพิ่มเติม และทำงานได้แม้ภายใต้ฟิล์มกันรอยหน้าจอ หรือหลังกระจกกันสภาพอากาศและกันการทำลาย เนื่องจากชั้นบนสุดของ PCT เป็นกระจก PCT จึงเป็นโซลูชันที่ทนทานกว่าเทคโนโลยีสัมผัสแบบต้านทาน ขึ้นอยู่กับการใช้งาน สามารถใช้สไตลัส แบบแอ คทีฟ หรือพาสซีฟแทนหรือเพิ่มเติมจากนิ้วได้ ซึ่งเป็นเรื่องปกติใน อุปกรณ์ ณ จุดขายที่ต้องบันทึกลายเซ็น นิ้วที่สวมถุงมืออาจไม่ได้รับการตรวจจับ ขึ้นอยู่กับการใช้งานและการตั้งค่าเกน รอยเปื้อนนำไฟฟ้าและการรบกวนที่คล้ายกันบนพื้นผิวแผงอาจรบกวนประสิทธิภาพ รอยเปื้อนนำไฟฟ้าดังกล่าวส่วนใหญ่มาจากปลายนิ้วที่เหนียวหรือเหงื่อ โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง ฝุ่นละอองที่สะสมซึ่งเกาะติดหน้าจอเนื่องจากความชื้นจากปลายนิ้วก็อาจเป็นปัญหาได้เช่นกัน

PCT มีสองประเภท ได้แก่ ความจุในตัวเอง และความจุร่วม

เซ็นเซอร์ความจุร่วม มี ตัวเก็บประจุอยู่ที่จุดตัดแต่ละจุดของแต่ละแถวและแต่ละคอลัมน์ ตัวอย่างเช่น อาร์เรย์ขนาด 12x16 จะมีตัวเก็บประจุอิสระ 192 ตัวแรงดันไฟฟ้าจะถูกจ่ายให้กับแถวหรือคอลัมน์ การนำนิ้วหรือสไตลัสที่เป็นตัวนำเข้าใกล้พื้นผิวของเซ็นเซอร์จะเปลี่ยนสนามไฟฟ้าเฉพาะที่ซึ่งลดความจุร่วม การเปลี่ยนแปลงความจุที่แต่ละจุดบนตารางสามารถวัดได้เพื่อกำหนดตำแหน่งการสัมผัสได้อย่างแม่นยำโดยการวัดแรงดันไฟฟ้าในแกนอื่น ความจุร่วมช่วยให้ สามารถใช้งาน มัลติทัชได้โดยสามารถติดตามนิ้ว ฝ่ามือ หรือสไตลัสหลายๆ อันได้อย่างแม่นยำในเวลาเดียวกัน^{[ 13 ]}

เซ็นเซอร์ แบบ self-capacitanceสามารถมีกริด XY เดียวกันกับเซ็นเซอร์แบบ mutual capacitance ได้ แต่คอลัมน์และแถวจะทำงานแยกจากกัน ในกรณีของ self-capacitance กระแสไฟฟ้าจะตรวจจับโหลด capacitive ของนิ้วบนแต่ละคอลัมน์หรือแถว ซึ่งจะสร้างสัญญาณที่แรงกว่าการตรวจจับแบบ mutual capacitance แต่ไม่สามารถแยกแยะนิ้วได้มากกว่าหนึ่งนิ้วอย่างแม่นยำ ส่งผลให้เกิด "ghosting" หรือการตรวจจับตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง^{[ 14 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ค่าความจุจะวัดได้โดยอ้อม โดยใช้ในการควบคุมความถี่ของออสซิลเลเตอร์ หรือเพื่อปรับระดับการเชื่อมต่อ (หรือการลดทอน) ของสัญญาณ AC โดยพื้นฐานแล้ว เทคนิคนี้ทำงานโดยการชาร์จค่าความจุที่ไม่ทราบค่าด้วยกระแสที่ทราบค่า เนื่องจากเมื่อจัดเรียงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดันสำหรับตัวเก็บประจุใหม่แล้ว ...

$${\displaystyle I(t)=C{\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}\,,}$$

วิธีนี้ช่วยให้สามารถกำหนดค่าความจุได้จากกระแสไฟฟ้าขณะนั้นหารด้วยอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเก็บประจุ:

$${\displaystyle C={\frac {I(t)}{\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}}\,.}$$

สามารถอินทิเกรตในช่วงเวลาการชาร์จตั้งแต่ ถึงเพื่อแสดงในรูปแบบอินทิกรัลได้ดังนี้:${\displaystyle t_{0}}$${\displaystyle t_{1}}$$${\displaystyle C={\frac {\int _{t_{0}}^{t_{1}}I(t)\,\mathrm {d} t}{(V(t_{1})-V(t_{0}))}}\,.}$$

เพื่อเป็นตัวอย่างง่ายๆ ของสมการข้างต้น หากกระแสชาร์จคงที่และแรงดันเริ่มต้นเป็น 0 โวลต์ ค่าความจุจะเท่ากับค่าของกระแสคงที่นั้นคูณด้วยระยะเวลาการชาร์จและหารด้วยแรงดันสุดท้าย${\displaystyle V(t_{0})}$${\displaystyle (t_{1}-t_{0})}$${\displaystyle V(t_{1})\,.}$

เวลาในการชาร์จหรือแรงดันไฟฟ้านี้สามารถกำหนดให้เป็นค่าคงที่ได้ ตัวอย่างเช่น หากวัดหลังจากช่วงเวลาคงที่แล้ว ก็สามารถหาค่าความจุได้โดยใช้เพียงแรงดันไฟฟ้าสุดท้าย หรือหากใช้แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์คงที่ ก็เพียงแค่ต้องวัดระยะเวลาในการชาร์จจนถึงแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์นั้น

การวัด การตอบสนองแบบขั้นบันไดนี้สามารถทำซ้ำได้อย่างต่อเนื่อง (เช่น โดยใช้คลื่นสี่เหลี่ยม )

ตัวอย่างเช่น ไอซีตรวจจับความจุFDC1004 ของTexas Instruments ใช้รูปคลื่นขั้นบันได 25 kHz เพื่อชาร์จอิเล็กโทรด และหลังจากเวลาที่กำหนด จะแปลงแรงดันไฟฟ้าอนาล็อกที่แสดงถึงประจุนั้นให้เป็นค่าความจุแบบดิจิทัลโดยใช้ ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ในตัว ^{[ 15 ]}

การออกแบบมิเตอร์วัดค่าความจุอย่างง่ายมักใช้หลักการของออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลาย (relaxation oscillator ) ค่าความจุที่จะวัดนั้นเป็นส่วนหนึ่งของวงจร RCหรือวงจร LC ของออสซิลเลเตอร์ สามารถคำนวณค่าความจุได้โดยการวัดเวลาที่ใช้ในการชาร์จจนถึงแรงดันเกณฑ์ (ของออสซิลเลเตอร์แบบผ่อนคลาย) หรืออีกวิธีหนึ่งคือการวัดความถี่ของออสซิลเลเตอร์ ทั้งสองวิธีนี้เป็นสัดส่วนกับค่าคงที่เวลา RC (หรือ LC) ของวงจรออสซิลเลเตอร์

เทคนิคการวัดอีกอย่างหนึ่งคือการใช้สัญญาณแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับความถี่คงที่กับตัวแบ่งแรงดันแบบคาปาซิเตอร์ ( ตัวแบ่งแรงดันที่ใช้คาปาซิเตอร์แทนตัวต้านทาน) ซึ่งประกอบด้วยคาปาซิเตอร์สองตัวต่ออนุกรมกัน ตัวหนึ่งมีค่าที่ทราบแล้ว และอีกตัวหนึ่งมีค่าที่ไม่ทราบ จากนั้นจึงวัดสัญญาณเอาต์พุตจากคาปาซิเตอร์ตัวใดตัวหนึ่ง ค่าของคาปาซิเตอร์ที่ไม่ทราบค่าสามารถหาได้จากอัตราส่วนของค่าความจุ ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนของแอมพลิจูดสัญญาณเอาต์พุต/อินพุต ดังที่สามารถวัดได้ด้วยโวลต์มิเตอร์กระแสสลับ

เครื่องมือที่มีความแม่นยำมากขึ้นอาจใช้การกำหนดค่าบริดจ์ ความจุ คล้ายกับบริดจ์Wheatstone ^{[ 16 ]}บริดจ์ความจุช่วยชดเชยความแปรปรวนใดๆ ที่อาจมีอยู่ในสัญญาณที่ป้อนเข้ามา

แม้ว่าจะไม่ได้จำเพาะเจาะจงกับการตรวจจับแบบคาปาซิทีฟ แต่การถ่ายโอนประจุจะใช้ เครือข่าย ตัวเก็บประจุแบบสวิตช์เพื่อสะสมประจุลงบนตัวเก็บประจุแบบอินทิเกรตในช่วงขั้นตอนแยกย่อยหลายขั้นตอน เพื่อสร้างผลรวมที่แม่นยำของตัวสร้างประจุแต่ละตัว^{[ 17 ] [ 18 ]}

การมอดูเลชั่นเดลต้า-ซิกมายังสามารถวัดค่าความจุแทนแรงดันไฟฟ้าได้อีกด้วย^{[ 19 ] [ 20 ]}

แหล่งที่มาหลักของข้อผิดพลาดในการวัดค่าความจุคือความจุแฝงซึ่งหากไม่ป้องกัน อาจผันผวนระหว่างประมาณ 10 pF ถึง 10 nF ความจุแฝงสามารถควบคุมให้คงที่ได้โดยการหุ้มสัญญาณความจุ (ที่มีความต้านทานสูง) แล้วเชื่อมต่อตัวหุ้มเข้ากับจุดอ้างอิงกราวด์ (ที่มีความต้านทานต่ำ) นอกจากนี้ เพื่อลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ของความจุแฝง ควรวางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตรวจจับให้ใกล้กับขั้วไฟฟ้าของเซ็นเซอร์มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

หน้าจอสัมผัสแบบคาปาซิทีฟตอบสนองได้เร็วกว่าหน้าจอสัมผัสแบบต้านทาน (ซึ่งตอบสนองต่อวัตถุใดๆ ก็ได้ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ความจุ) อย่างไรก็ตาม ความจุแบบโปรเจคทีฟช่วย ปรับปรุง ความแม่นยำของหน้าจอสัมผัส เนื่องจากมันสร้างตารางสามเหลี่ยมรอบจุดสัมผัส^{[ 21 ]}

ปากกาสไตลัสมาตรฐานไม่สามารถใช้สำหรับการตรวจจับแบบคาปาซิทีฟได้ แต่มีปากกาสไตลัสแบบคาปาซิทีฟพิเศษซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าสำหรับจุดประสงค์นี้ ปากกาสไตลัสพิเศษเหล่านี้เคยมีราคาแพงกว่า แต่ต้นทุนของเทคโนโลยีนี้ลดลงอย่างมาก และปัจจุบันปากกาสไตลัสแบบคาปาซิทีฟมีจำหน่ายอย่างแพร่หลายในราคาที่ไม่แพง และบางครั้งก็แจกฟรีพร้อมกับอุปกรณ์เสริมมือถือ ปากกาสไตลัสแบบคาปาซิทีฟประกอบด้วยแกนนำไฟฟ้าที่มีปลายยางนำไฟฟ้าที่อ่อนนุ่ม จึงเชื่อมต่อปลายนิ้วกับปลายปากกาสไตลัสโดยความต้านทาน เรายังสามารถสร้างปากกาสไตลัสแบบคาปาซิทีฟได้โดยการพันวัสดุนำไฟฟ้า เช่น ฟิล์มนำไฟฟ้าป้องกันไฟฟ้าสถิต รอบปากกาสไตลัสมาตรฐาน หรือโดยการม้วนฟิล์มเป็นท่อ^{[ 22 ]}

หน้าจอสัมผัสแบบ capacitive บางรุ่นไม่สามารถใช้งานได้ขณะสวมถุงมือ และอาจทำงานผิดปกติแม้จะมีน้ำเพียงเล็กน้อยบนหน้าจอ

ในอดีต หน้าจอสัมผัสแบบ capacitive มีต้นทุนการผลิตสูงกว่า หน้าจอสัมผัส แบบ resistive

เซ็นเซอร์ความจุร่วมสามารถให้ภาพสองมิติของการเปลี่ยนแปลงในสนามไฟฟ้าได้ การใช้ภาพนี้ทำให้มีการเสนอแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย การตรวจสอบผู้ใช้^{[ 23 ] [ 24 ]}การประมาณทิศทางของนิ้วที่สัมผัสหน้าจอ^{[ 25 ] [ 26 ]}และการแยกแยะระหว่างนิ้วและฝ่ามือ^{[ 27 ]}เป็นไปได้ แม้ว่าเซ็นเซอร์ความจุจะถูกใช้สำหรับหน้าจอสัมผัสของสมาร์ทโฟนส่วนใหญ่ แต่โดยทั่วไปแล้วภาพความจุจะไม่ถูกเปิดเผยต่อเลเยอร์แอปพลิเคชัน

แหล่งจ่ายไฟที่มี สัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์สูงอาจลดความแม่นยำลงได้

ปากกา สไตลัสหลายแบบสำหรับหน้าจอสัมผัสแบบต้านทานจะไม่สามารถใช้งานกับเซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟได้ เนื่องจากเซ็นเซอร์เหล่านี้ไม่นำไฟฟ้า ปากกาสไตลัสที่ใช้งานได้บนหน้าจอสัมผัสแบบคาปาซิทีฟซึ่งออกแบบมาสำหรับนิ้วมือเป็นหลัก จำเป็นต้องจำลองความแตกต่างของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่เกิดจากนิ้วมือของมนุษย์^{[ 28 ]}

• รายชื่อผู้ผลิตโซลูชันระบบสัมผัส
• เทอร์มิน

• ส่วนที่ 1: พื้นฐานของเทคโนโลยีการสัมผัสแบบโปรเจคทีฟคาปาซิทีฟ โดย เจฟฟ์ วอล์คเกอร์ มิถุนายน 2014 เก็บถาวรเมื่อ 2023-12-01 ที่Wayback Machine
• บรรณานุกรมเชิงวิเคราะห์ด้านการประมวลผลด้วยระบบสัมผัส/ปากกาและการจดจำลายมือ, Rueters-Ward Services, 2016