Jak działają czujniki zbliżeniowe?

Rys. 1. Smartfony to dzisiaj jedne z najpopularniejszych urządzeń, w których stosowane są detektory światła i czujniki zbliżeniowe

W urządzeniu bardzo kompaktowym, a takim jest właśnie smartfon, musi być zachowana wysoka tolerancja ułożenia wymienionych elementów, a także ściśle określone charakterystyki emisji światła oraz jego odbicia od istniejących powierzchni.

Funkcje detekcji zbliżeniowej mogą by realizowane za pomocą dyskretnych elementów, tj. diody podczerwonej LED, czujnika optycznego oraz innych komponentów, przy czym taka konstrukcja wiąże się ze znacznym ryzykiem - z pozoru prosty system może być kłopotliwy w fazie rozwoju i produkcji. Stąd też polecane jest stosowanie rozwiązań w postaci zintegrowanych modułów optycznych. W ich przypadku eliminuje się ryzyko wadliwego działania - szczególnie w przypadku wielkoseryjnej produkcji urządzeń końcowych.

Detekcja zbliżeniowa - wykrywanie obecności obiektów oraz pomiary odległości

Rys. 2. System detekcji zbliżeniowej w uproszczeniu

Poprzez wykrywanie obecności użytkownika smartfon może wyłączać podświetlenie wyświetlacza i ekranu dotykowego w momencie, gdy urządzenie jest trzymane obok ucha. Pozwala to na oszczędzanie energii oraz zapobiega przypadkowemu uruchamianiu aplikacji i wykonywaniu poleceń. W podobny sposób wykrywane mogą być gesty użytkownika.

Do wykrywania zbliżania się obiektu do urządzenia wymagane jest zastosowanie nie tylko czujnika optycznego, ale też podczerwonej diody elektroluminescencyjnej (LED IR). Sygnał świetlny z diody ma postać szeregu impulsów i pozwala on na wykrycie bliskiej obecności użytkownika oraz jego gestów.

Diody takie mogą być instalowane oddzielnie od czujnika (w postaci dyskretnej) lub zintegrowane z tym ostatnim w jednej obudowie (module). W dalszej części przedstawiamy szczegółowe zagadnienia związane z wdrażaniem układów detekcji zbliżeniowej, które wyjaśniają, dlaczego preferowane jest stosowanie wersji modułowych.

Zasada detekcji zbliżeniowej bazującej na podczerwieni jest - przynajmniej w teorii - dosyć prosta. Element nadawczy, jakim jest dioda podczerwona LED, generuje niewidoczny dla ludzkiego oka sygnał świetlny w kierunku obiektu wykrywanego (patrz rys. 2). Część emitowanego światła odbija się od obiektu i jest wykrywana przez czujnik.

Jeżeli obiekt nie znajduje się w obrębie emitowanego światła lub obszarze detekcji czujnika, lub jest po prostu zbyt daleko, system nie wykryje jego obecności. Gdy poziom sygnału odbitego będzie większy niż poziom szumów otoczenia, czujnik wykryje obiekt i można też określić jego pozycję, bazując na wartości sygnału odbitego.

Czujniki zbliżeniowe - problemy praktyczne

Rys. 3. Problemy spowodowane dodaniem warstwy szkła

W rzeczywistym środowisku detekcja zbliżeniowa jest utrudniona wieloma czynnikami i ograniczeniami fizycznymi. Po pierwsze w przypadku urządzeń takich jak smartfony element detekcyjny znajduje się pod szkłem (patrz rys. 3), co stwarza wiele problemów. W szczególności gdy światło przechodzi przez szkło, jest tłumione, załamywane, a jego niewielka część (zwykle około 4%) ulega dodatkowo odbiciu.

W omawianym przypadku największe problemy sprawia światło odbite. Ponieważ powierzchnia szklana znajduje się blisko nadajnika, nawet niewielka część niechcianego światła odbitego od szkła może łatwo przekroczyć poziom światła odbitego od obiektu.

Ten ostatni znajduje się, porównując z odległością czujnika do szkła, o wiele dalej, a więc też energia świetlna ulegnie znacznemu zmniejszeniu. Jak przedstawiono na rysunku 3, część emitowanego światła będzie odbijana jednocześnie od wewnątrz i na zewnątrz powierzchni szkła - i to odbicie również powinno być minimalizowane, tak aby zapewnić niezawodność działania systemu.

Podobnym problemem jest to, że pewna ilość światła podczerwonego jest emitowana bezpośrednio w kierunku czujnika. Ponieważ ten ostatni znajduje się blisko elementu nadawczego, ponownie nawet niewielka ilość światła może być większa niż to odbite od wykrywanego obiektu. Efekt ten jest często określany mianem upływu sygnału.

Rys. 4. System z barierami świetlnymi

Odbicie od szkła oraz upływ składają się w dużej mierze na tzw. przesłuch optyczny. Zaliczyć można do niego jakikolwiek niepożądany sygnał docierający do czujnika podczas jego pracy. W idealnym systemie czujnik powinien odbierać tylko sygnał odbity od wykrywanego obiektu.

Istnieje kilka różnych rozwiązań, które stosuje się w celu zmniejszania problemów powodowanych przez powierzchnię szklaną i upływ sygnału. Takimi są bariery optyczne, które mogą być umieszczane wokół diody i czujnika, aby zapobiegać przedostawaniu się niepożądanego sygnału do czujnika. Teoretycznie bariery mogą mieć wysokość od podłoża do szyby, jak to przedstawiono na rysunku 4, jednakże nie jest to w praktyce stosowane.

Powodem jest to, że podczas użytkowania urządzenia szkło ulega naprężeniom, a bariery dotykające szyby mogłyby doprowadzić do pęknięcia tej ostatniej. Istnieją jednak inne rozwiązania tego problemu - do takich należy zastosowanie absorbującego światło pokrycia szyby, które nakładane jest na nią zarówno od dołu, jak też od góry. Takie pokrycie znacząco redukuje ilość odbitego światła i zmniejsza skalę problemu.

Czujniki zbliżeniowe w smartfonach - wymogi co do poboru energii i wymiarów

Rys. 5. Kompletny system z określeniem wymiarów krytycznych

W urządzeniach takich jak smartfony pobór energii przez każdy z elementów systemu jest krytyczny - to samo dotyczy układu detekcji zbliżeniowej. Sygnał emitowany z diody podczerwonej może zostać skupiony dzięki zastosowaniu soczewki, co zmniejszy ilość traconej energii świetlnej. Pozwala to na pracę diody LED z niższą mocą lub przez krótszy czas, a to przekłada się na oszczędności energii.

Czujniki zbliżeniowe stosowane w smartfonach są bardzo małe - mają nawet poniżej 10 mm³. Oznacza to, że wiele z ich wymiarów musi być bardzo ściśle kontrolowanych, co przedstawiono na rysunku 5. Dotyczy to m.in. odległości pomiędzy diodą LED a czujnikiem, szerokości szczeliny powietrznej pomiędzy barierą optyczną a szkłem, odległości diody i czujnika od szkła, grubości szkła, a także odległości diody LED i czujnika od barier optycznych.

Na rysunku zaznaczono również punkt krytyczny, który również musi być ściśle określony, aby zapewnić prawidłowe działanie systemu. Jeżeli znajduje się on zbyt daleko od powierzchni szkła, to nie będzie możliwe wykrywanie przedmiotów w bliskiej odległości od szkła. Jeżeli natomiast punkt krytyczny znajdzie się wewnątrz (poniżej szyby), to przesłuchy mogą się znacznie zwiększyć. Niedopasowanie nawet na poziomie kilkudziesięciu mikronów może całkowicie zmienić niezawodność działania systemu!

Detekcja zbliżeniowa - układy dyskretne a rozwiązania modułowe

Rys. 6. Moduł TMD4903

Jak wspomniano powyżej, w omawianych systemach pojawiają się liczne problemy praktyczne, bez rozwiązania których nie można mówić o niezawodnej pracy układu detekcji zbliżeniowej w urządzeniu przenośnym. Zintegrowane moduły, jak się okazuje, mają liczne zalety w stosunku do rozwiązań dyskretnych. W efekcie przekładają się one na krótszy czas i mniejszy wysiłek projektanta podczas tworzenia projektu, szczególnie gdy dotyczy on urządzenia mającego być produkowanym w dużym wolumenie.

Zintegrowane moduły pozwalają też uniknąć wielu problemów związanych ze zmiennością wymiarów i ułożenia, co ułatwia i przyspiesza rozwój systemu. Ponieważ wiele z tych krytycznych wymiarów określonych jest w samym module, nie są one już problemem dla producenta urządzeń elektronicznych.

Ponadto przesłuch optyczny staje się bardziej przewidywalnym zjawiskiem i może być symulowany oraz kontrolowany w dopuszczalnych granicach. Jednocześnie mniejsze rozmiary samych modułów pozwalają na wytwarzanie bardziej estetycznych smartfonów, tj. z mniejszymi otworami w szkle. Na rysunku 6 i 7 przedstawiono wygląd oraz przekrój typowego modułu, jakim jest TMD4903.

Rys. 7. Przekrój modułu TMD4903

Moduły to również inne zalety w stosunku do stosowania oddzielnych rozwiązań. Po pierwsze mogą one być kalibrowane już w fabryce, tak aby usunąć różnice w energii emitowanej przez różne diody LED. Te ostatnie mogą przekraczać nawet 30% i kalibracja jest zawsze wymagana na jakimś etapie produkcji smartfona. Oczywiście jest ona znacznie łatwiejsza w przypadku odrębnego modułu niż po jego zamontowaniu w urządzeniu.

Po drugie wykorzystanie zintegrowanego modułu pozwala na zmniejszenie liczby stosowanych elementów, co skraca długość listy stosowanych materiałów (i prawdopodobnie też dostawców), a także proces produkcyjny. W takim przypadku odpada również problem wyboru diody IR LED odpowiedniej dla danego detektora światła.

Dewight Warren
ams AG
Future Electronics
www.futureelectronics.com