איך זה עובד: מסך מגע קיבולי
נגיעת אצבע במסך עושה את כל מה שאנחנו צריכים במכשיר הסלולרי שלנו או במחשב האישי. הסוד הוא המוליכות של הגוף. כך זה קורה
אחרי שפיצחנו את הסוד של מסך המגע הפשוט, הגיע הזמן להתמודד עם אחיו הצעיר, המשוכלל והנפוץ ברוב הסמארטפונים והטאבלטים כיום: מסך המגע הקיבולי (Capacitive). המפתח להבנת הטכנולוגיה הוא גוף האדם. בגוף האדם יש הרבה נוזלים, מלחים ומתכות, שהופכים אותו למוליך חשמלי (מצופה כמובן במבודד דק – העור). כמו כל מוליך, גם לגוף יש תכונה של קיבוליות: יכולת לאגור מטען חשמלי מסוים. עד לשנים האחרונות, היכולת הזו התבטאה בעיקר בצבירה ופריקה של חשמל סטטי, כלומר ה"זצים" שהיינו חוטפים מחפצי מתכת אחרי הליכה על שטיח, או בנסיבות דומות.
תורת הקבלה
בגדול, קבל הינו צמד מוליכים חשמליים, קרובים מאד זה לזה אך לא נוגעים. מכיוון שכל מוליך בפני עצמו יכול, כאמור, לאגור מטען חשמלי, אם נחבר את אחד המוליכים בקבל לפלוס של סוללה ואת השני למינוס, נקבל מטען חיובי בראשון ושלילי בשני, ויווצר לנו הפרש פוטנציאלים. במילים אחרות, נקבל סוללה קטנה.
בהרבה מעגלים חשמליים, קבלים משמשים מעין מייצבי מתח. כאשר אספקת החשמל יציבה, הם מאמצים את אותו הפרש פוטנציאלים (אותו מתח חשמלי), אך אם יש נפילה זמנית קצרה במתח הראשי, הקבל "נפרק" ומפצה על החוסר כמו סוללת גיבוי. במקרים אחרים, קבל (גדול ושמן) משמש כ"סטארטר" למנועים חשמליים או צרכני זרם אחרים, שצריכים הרבה כוח כדי להתגבר על ההתנגדות ההתחלתית של המערכת. זו הסיבה לכך שאפשר להתחשמל ממכונת כביסה גם אם היא מנותקת מהחשמל: הקבל הענק שבפנים, שעוזר לתוף להתחיל להסתובב, עשוי להישאר טעון.
מה שחשוב לענייננו היא העובדה שנדרש לקבל זמן כדי להיטען, ובזמן הזה הזרם החשמלי לא ממשיך הלאה לשאר המעגל. בדרך כלל מדובר על חלקיקי שניה ספורים, אך עבור מיקרו-בקר אלקטרוני זהו פרק זמן משמעותי שאפשר למדוד. למעשה, אם יודעים איזה מתח ואיזה זרם אמורים לעבור במערכת, אפשר להסיק מפרק הזמן שחולף עד לטעינת הקבל את הקיבולת שלו, ואם הזמן הזה הוא אפס, סימן שאין שום קבל.
מה עם החצי השני?
בחלק מהסוגים של מסכי המגע הקיבוליים אין למעשה קבל אלא רק חצי קבל, כלומר מוליך אחד. איפה המוליך השני? זה התפקיד שלנו, בני האדם. מבחינה חשמלית אנחנו מחוברים לאדמה האוניברסלית (כדור הארץ), ומסתבר שזה מספיק: כאשר אנחנו מתקרבים למוליך שעובר בו מתח חיובי, נוצר מעין קבל מאולתר, שאת דבר קיומו נוכל להסיק מתוך זמן הטעינה.
בסרטון הבא מוצג "חיישן מגע" קיבולי פרימיטיבי תוצרת בית. לוח פיתוח מדגם ארדואינו טוען יריעה של נייר אלומיניום במטען חיובי דרך חוט אחד, ומודד את הזמן שחולף עד שהמתח החשמלי מגיע בחזרה דרך חוט אחר. כאשר היריעה מונחת סתם כך, מעבר הזרם הוא מיידי. לעומת זאת, כאשר מקרבים אליה אצבע או יד, הקבל שנוצר מתחיל לאגור מטען חשמלי ולא נותן לשום דבר לעבור הלאה עד שהוא מתמלא. ככל שהקבל גדול יותר (היד קרובה יותר, ו/או שטח היד שקרוב ליריעה גדול יותר) כך נדרש לאגירה יותר זמן, והארדואינו מתרגם את הזמן הזה לבהירות של נורית LED. אגב, היריעה בסרטון מכוסה במסקינגטייפ שקוף, שמתפקד לצורך העניין כמו הזכוכית של מסך הסמארטפון. בשום שלב אין מגע ישיר של היד במתכת.
גם בתנאים אופטימליים, הקיבולת של קבל שנוצר מקרבה אנושית היא זעירה. לכן המעגל שבסרטון כולל נגד בעל ערך גבוה מאד, שמצמצם מאד את הזרם ומונע טעינה מהירה מדי. כמו כן, המדידה היא מחזורית: בשלב ראשון פורקים את המטען שקיים, אם קיים, ביריעה, ורק אז טוענים אותה שוב ומודדים זמן.
משנה מקום, משנה קבל
כל זה טוב ויפה, אבל איך מזהים איפה בדיוק התרחש המגע? כאן העסק מתחיל להיות מסובך, וישנן שיטות רבות לעשות זאת, ברמות שונות של מורכבות טכנולוגית. עם זאת, ברוב המקרים העיקרון הבסיסי זהה: מוליכים נפרדים ודקים, מתוחים בצפיפות לאורך ולרוחב המסך, שכל אחד מהם נמדד בנפרד. אם מותחים מספיק מוליכים כאלה, ומוודאים שהמעגל המודד יהיה מספיק זריז ורגיש, אפשר להגיע לרזולוציה טובה מאד – וגם לזהות מגע של יותר מאצבע אחת ולהשיג את הגביע הקדוש הנכסף של מגע מרובה (multitouch). חלק מסוגי המסכים מודדים ישירות את הקיבול של הצמד מוליך-אצבע (self-capacitance), וחלק מודדים את ההשפעה של האצבע על קבל זעיר שנוצר בנקודת המפגש של שני מוליכים (mutual capacitance).
לכאורה, אם יש רשת כזו של מוליכים לאורך ולרוחב המסך, אין צורך בכלל במדידת הקיבוליות: הרי הלחץ המכני של האצבע(ות) יכול ליצור מגע בין שני מוליכים כאלה ולתת את מידע המיקום הרצוי. מדידת הקיבול עדיפה מכיוון שלחץ מכני מוביל בסופו של דבר לשחיקה או עיוות של המוליכים, והדיוק שאפשר להשיג דרך משטח זכוכית לחוץ הוא מוגבל – במיוחד אם מדובר במגע מרובה, שמעוות את הזכוכית בדרכים לא טריוואליות. כצפוי, יש לשיטה גם חסרונות: היא מחייבת מגע של אצבע חשופה, או לפחות סטילוס או כפפות מוליכות מיוחדות, והיא רגישה ללחות גבוהה באוויר ולטמפרטורה קיצונית, שמשפיעות על דיוק המדידה של הקיבול.
