關(guān)于電容傳感器與相關(guān)技術(shù)及其應用

前言

　　從理論上說(shuō)，一根走線(xiàn)、間隔、另一根走線(xiàn)，這就是組成一個(gè)電容傳感器的全部所需，見(jiàn)圖1(a)所示。直接在這些走線(xiàn)上覆蓋一層盡緣透明塑料膜即可使其成為電路板的一部分。當手指或某物體或人接近或者碰觸到傳感器時(shí)，電容傳感器會(huì )檢測(或稱(chēng)感測)到電容值的變化見(jiàn)圖1(b)所示。此項技術(shù)已經(jīng)在業(yè)界的應用領(lǐng)域上使用多年，它可以用來(lái)量測液體位準、濕度、以及物質(zhì)成分。這一技術(shù)有很多上風(fēng)：產(chǎn)業(yè)設計差異化、內部完全密封防水、界面壽命、答應接近探測及電容式觸摸屏應用。由于當今的家電更注重產(chǎn)品設計而非功能設計，可以預計電容感應將應用于更廣泛的家電控制領(lǐng)域。電冰箱、洗碗機、灶具等等，都有獨特的應用環(huán)境，向電容感應的應用提出了挑戰。于是電容感應已經(jīng)獲得了廣泛的產(chǎn)業(yè)支持，正在迅速成為業(yè)界的焦點(diǎn)。它己成為廉價(jià)而又耐用的傳感技術(shù)。

1、電容檢測的運作特征與解決方案

1.1運作特征

　　實(shí)際的基本電容的傳感器包括了一個(gè)接收器Tx與一個(gè)發(fā)射器Rx，其分別都具有在印刷電路板(PCB)層上成形的金屬走線(xiàn)。在接收器與發(fā)射器走線(xiàn)之間會(huì )形成一個(gè)電場(chǎng)，見(jiàn)圖2所示。大部分的電場(chǎng)都會(huì )集中在傳感器PCB的兩個(gè)板層之間。然而，會(huì )有一個(gè)邊沿(fringe)電場(chǎng)由發(fā)射器產(chǎn)生并延伸至PCB外面，然后再回返至接收器上而終止。接收器上的電場(chǎng)強度是利用內建的積分三角(sigma-dedta)電容數字轉換器來(lái)加以量測。電感傳感器只能探測金屬物質(zhì)，而電容傳感器卻可以探測與傳感器電極特性不同的導體和盡緣體。偶合的是，這種特性使人類(lèi)非常適合電場(chǎng)成像，由于人體大部分都是水，介電常數很大，人體還含有離子物質(zhì)，是良好的電導體，所以當人們的手進(jìn)進(jìn)到邊沿電場(chǎng)內時(shí)(見(jiàn)圖1(b)所示)，電子環(huán)境將會(huì )改變，導致一部份的電場(chǎng)會(huì )被分流到地線(xiàn)而非回返至接收器終止。此變化所造成的電容降低范圍為毫微微法拉為單位的大小，不同于一般計算電場(chǎng)時(shí)所采用的能被轉換器檢測到的微微法拉大小。

1.2解決方案

　　當今市場(chǎng)己有專(zhuān)門(mén)針對人機接口應用領(lǐng)域而設計的電容感測用途芯片產(chǎn)品問(wèn)世。它提供了電容傳感器的觸發(fā)，能檢測到因使用者的接近所造成的電容變化，并提供數字輸出。氣體檢測儀 | 電阻測試儀 | 濃度計 | 電工鉗 | 示波器 | 傳送器 | 壓力計 | 萬(wàn)能鉗 | 電流計 | 尖嘴鉗 | VOC檢測儀 | 輻照計 | 水份計 | 折射計

　　一般來(lái)說(shuō)，電容檢測的解決方案包含了3個(gè)部分(見(jiàn)圖3所示)：

　　*驅動(dòng)IC-提供了觸發(fā)功能、電容值數字轉換器、以及補償電路，以確保在所有環(huán)境中都能有正確的結果。

　　*傳感器-具有特定樣式走線(xiàn)的PCB，像是按鈕、卷動(dòng)軸、滾輪、或是某些組合等。其走線(xiàn)材質(zhì)可以是銅、碳，或是銀，而PCB材質(zhì)則可使用FR4、flex、PET、或是ITO。

　　*主微控制器上執行的軟件-用以執行串聯(lián)接口以及組件設定、還有中斷服務(wù)程序。對于像是卷動(dòng)棒與滾輪之類(lèi)的高分辨率傳感器而言，其主微控制器會(huì )執行一個(gè)軟件運算法，以達到高分辨率的輸出。按鈕則不需要軟件。

　　舉例來(lái)說(shuō)，AD7142以及AD7143分別可以對高達14個(gè)與8個(gè)電容傳感器予以觸發(fā)及回應。他們提供了電容傳感器的觸發(fā)，感測因使用者的接近所造成的電容變化，并提供數字輸出。

2、電容檢測在電子設備中人機接口中應用

　　電容檢測將在人機接口新領(lǐng)域上應用。機械式的按鈕。開(kāi)關(guān)、以及滾輪(jeg wheel)等裝置長(cháng)期以來(lái)一直被當成使用者與機器之間的接口。而電容傳感器比機械式傳感用具有更好的可靠度-關(guān)于此點(diǎn)有為數不少的理由。由于沒(méi)有會(huì )移動(dòng)的零件，所以使用包覆材料。舉例來(lái)說(shuō)，像是MP3播放器的塑料外殼。加以保護的傳感器不會(huì )有磨損與破裂的情況。人體盡不會(huì )直接接觸到傳感器，所以可以將污物與溢出物封閉在外。

2.1電容檢測在汽中的應用

　　如今汽車(chē)的開(kāi)關(guān)和按鈕要多得多。不僅數目眾多．而且還必須能夠很輕易地安裝到外形日益多樣化的操縱面之中。另外．它們還需具備本錢(qián)效益性，以取代密封型開(kāi)關(guān)。一種熱門(mén)的方法是轉變?yōu)椴捎秒娙菔接|摸開(kāi)關(guān)(CapSense)。由于未采用機械式部件而且能夠與成形操縱面相吻合，因此CapSense開(kāi)關(guān)提供了汽車(chē)行業(yè)所需要的可靠性和價(jià)位。

*關(guān)于電容式開(kāi)關(guān)

　　基于電容感測的技術(shù)而應運而生的組件逐漸問(wèn)世，值此就電容式開(kāi)關(guān)技術(shù)特征作分析先容。

　　電容式開(kāi)關(guān)基本上就是一個(gè)由兩根相鄰走線(xiàn)形成的電容器(見(jiàn)圖1(a))；根據物理定律在它們之間存在電容。假如把一個(gè)導體(比如：手指)放置在靠近這些極板的地方，則一個(gè)并聯(lián)電容將與該傳感器相耦合(見(jiàn)圖1(b))。當把手放置于電容式傳感器之上時(shí)，電容將增加。拿開(kāi)手指后，電容將減小。在增加了用于丈量電容變化的電路之后，就可以確定手指的存在與否了。

　　構造一個(gè)電容式開(kāi)關(guān)需要：一個(gè)電容器和電容丈量電路以及用于把電容值轉換成某種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的局部智能。

　　典型的電容式傳感用具有10pF-30pF的電容值。手指通過(guò)1mm的盡緣透明塑料膜耦合至傳感器的電容通常為1pF-2pF。當采用較厚的透明塑料膜時(shí)，耦合電容減小。為了檢測手指的存在與否．需要設計能夠丈量出由手指引起的1％電容變化幅度的電容式觸摸感應電路。

　　弛張振蕩器是一種有效而簡(jiǎn)單的電容丈量電路。典型的弛張振蕩器電路拓撲結構示于圖4。該電路由4個(gè)元件組成，一開(kāi)始．放電開(kāi)關(guān)處于開(kāi)路狀態(tài)。當該開(kāi)關(guān)開(kāi)路時(shí)，全部電流均進(jìn)進(jìn)傳感器。導致其電壓線(xiàn)性轉換。該充電操縱持續進(jìn)行。直至傳感器電壓達到比較器的門(mén)限電平為止。比較器隨后從低電平變換至高電平，導致放電開(kāi)封閉合。電容式傳感器通過(guò)該低阻抗路徑迅速放電至地。該過(guò)程將使比較器的輸出從高電平變換至低電平．然后重復這一循環(huán)。如下面的公式所示，輸出頻率(fout)與充電電流成正比，而與門(mén)限電壓和傳感器電容成反比。丈量該頻率．以確定傳感器電容：

　　當充電電流為5μA、比較器門(mén)限為1.3V且傳感器電容為30pf時(shí)，輸出頻率為128kHz。丈量輸出頻率花費的時(shí)間越長(cháng)，獲得的分辨率就越高。頻率分辨率的進(jìn)步將改善電容丈量的靈敏度。增加丈量時(shí)間將提升丈量電容分辨率。在每種應用中，可根據不同的傳感器尺寸和透明塑料膜厚度來(lái)相應地調整丈量時(shí)間的變化。

*關(guān)于電容式感應技術(shù)

　　電容式感應技術(shù)正在迅速成為面板操縱和多媒體交互的全新應用技術(shù)，其耐用性和降低BOM本錢(qián)方面的上風(fēng)，使這種技術(shù)在非接觸式操縱界面上得到廣泛的應用。如采用PSoC（Programmable System-on-Chip）器件系列片上系統芯片，實(shí)現了非接觸式、穩定可靠的電容式感應按鍵的設計。而1PSoC片上系統PSoC微處理器由處理器內核、系統資源、數字系統和模擬系統組成。

　　電容感應在感應有物體接近而非實(shí)際的觸摸時(shí)，尤為重要。這就是“接近探測”(proximity detection)的概念。汽車(chē)門(mén)鎖和門(mén)禁控制就是接近探測的一個(gè)應用實(shí)例。一旦授權用戶(hù)用手接近車(chē)門(mén)，車(chē)門(mén)即可打開(kāi)或者啟動(dòng)引擎。當然，還有很多其他產(chǎn)品功能與接近事件相關(guān)�！敖咏�探測”的其他應用還包括快速喚醒PC外設。例如，“接近探測”可集成在無(wú)線(xiàn)鼠標或鍵盤(pán)中，從而能從休眠狀態(tài)中快速喚醒。通常情況下，無(wú)線(xiàn)設備在長(cháng)時(shí)間無(wú)動(dòng)作后進(jìn)進(jìn)休眠狀態(tài)后，再次喚醒就需要在PC主機和外設之間重新綁定。應用了接近探測技術(shù)后，在進(jìn)行接觸前即可喚醒無(wú)線(xiàn)外設，從而可以省往綁定時(shí)間。

2.2電容感應在便攜設備中的應用

　　電容感應是利用人體本身的電容或者導電鐵筆來(lái)產(chǎn)生接觸界面，以替換傳統的機械控制。這一技術(shù)有很多上風(fēng)：產(chǎn)業(yè)設計差異化、內部完全密封防水、界面壽命、答應接近探測及電容式觸摸屏應用。

　　電容感應已經(jīng)獲得了廣泛的產(chǎn)業(yè)支持。由于當今的家電更注重產(chǎn)品設計而非功能設計，可以預計電容感應將應用于更廣泛的家電控制領(lǐng)域。電冰箱、洗碗機、灶具等等，都有獨特的應用環(huán)境，向電容感應的應用提出了挑戰。由于感應元件是完全密封在沒(méi)有運動(dòng)部件的表面下面，噴濺在控制面板上的液體不會(huì )損壞系統，并很輕易被清除。對于汽車(chē)和白色家電，由于更新速度不像消費電子產(chǎn)品那么快，所以對控制界面的壽命提出了較高的要求。電容感應很適合這兩類(lèi)產(chǎn)品的需要。由于沒(méi)有機械運動(dòng)部件，也就沒(méi)有了磨損。從第一次到每一次觸摸，電容感應都是十分完美的。

3、電容傳感器電場(chǎng)丈量功效的應用

　　如今，工程師不必進(jìn)行實(shí)際接觸便可以利用電場(chǎng)來(lái)探測是否有其他物體出現。這種電場(chǎng)傳感器或者電容傳感器越來(lái)越流行，成為廉價(jià)而又耐用的傳感技術(shù)。很多行業(yè)和消費類(lèi)產(chǎn)品都使用了電容傳感器，例如計算機外設、病人監控設備、冰箱霜凍傳感器、銷(xiāo)售終端以及車(chē)庫大門(mén)安全傳感器等。最流行最直接的應用是觸摸屏和觸摸板。在開(kāi)發(fā)觸摸板時(shí)，有三點(diǎn)是必須要考慮的：觸摸電極設計和布板；面板表面不同的盡緣材料；各種環(huán)境條件下對電場(chǎng)丈量的影響。

　　電容傳感器還可以用于液面傳感。例如，一個(gè)簡(jiǎn)單的設計將電極棒垂直放進(jìn)水中，形成一個(gè)縱向電容，利用電場(chǎng)傳感來(lái)丈量液面。沒(méi)有液體時(shí)只有一個(gè)電容，當裝進(jìn)水后，電容被分成了兩部分：一個(gè)填充了空氣(介電常數為1)，另一個(gè)填充了水(介電常數為80)。通過(guò)簡(jiǎn)單的計算，就可以確定液面高度。然而，在洗衣機等應用中，水中加進(jìn)洗滌劑以及有其他雜質(zhì)時(shí)，這一系統不能補償不同介質(zhì)特性的影響，影響了精度。

　　更復雜的電容系統使用坡度電極；它采用厚度變化相同的兩個(gè)薄片，彼此重疊。當液面上升時(shí)，電極的不同區域和水“接觸”，從中可以提取出一定的比例。這一比例直接反映了液面變化，而區域的盡對值提供了介電常數信息，可以估算水中的肥皂等其他雜質(zhì)。

　　電場(chǎng)傳感技術(shù)還常用于探測物體的靠近程度。電容模型方程(圖5(a))表明電容值和電容電極之間的間隔(1/d)成反比。在典型應用中，電容的一個(gè)電極是導電電極的一端，另一個(gè)電極則在被測物體上。

　　由于間隔和容值相互對應，這類(lèi)傳感器適用于高精度接近丈量(圖5(b))。在一般室內環(huán)境中，Freescale的MC34940使用1平方英尺的電極可以探測間隔1 2英寸之外的手。這一技術(shù)還可以用于接觸控制、安全和安防以及接近喚醒等方面。

4、電容傳感器如何應用

　　傳感器的走線(xiàn)可以是任何尺寸、任何形式、以及任意數目的。按鈕、滾輪、卷動(dòng)軸、游戲把手、以及觸控板的型態(tài)都可以走線(xiàn)方式在傳感器PCB上進(jìn)行布局。

　　設計工程師有很多可以用來(lái)完成使用接口的選項，范圍從只是將機械按鈕換成電容按鈕傳感器，到完全不使用按鈕．而改以具有八個(gè)輸出位置的游戲把手，或是能夠提128個(gè)輸出位置的滾輪來(lái)代替。

　　單一傳感器組件所能完成的傳感器數目，必須視所需傳感器的型態(tài)而定。以AD7142為例，它具有14個(gè)電容輸進(jìn)接腳以及12個(gè)轉換通道。AD7143有8個(gè)電容輸進(jìn)接腳以及8個(gè)轉換通道�？梢圆捎萌我鈹的康�傳感器加以組合，以最多不能超過(guò)可使用的輸進(jìn)以及通道數目為限。

　　在所有相連的傳感器上，會(huì )采用依序循環(huán)(round-robin)的方式依序進(jìn)行量測。所有的傳感器可以在36ms內完成量測，因此幾乎就是同時(shí)對每個(gè)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行偵測——極快速的使用者能夠在40ms內執行一個(gè)觸發(fā)或是封閉傳感器的動(dòng)作。

5、結束語(yǔ)

　　在人機界面的應用上，電容傳感器與電容式開(kāi)關(guān)及電容感應是一項新崛起的技術(shù)，并且很快的在廣泛而不同的產(chǎn)品與組件上成為受到歡迎的技術(shù)。電容傳感器可使得各種可攜式與消費性產(chǎn)品具有創(chuàng )新而且易于使用的接口。它們易于設計，使用標準的PCB生產(chǎn)技術(shù)，并且比機械式開(kāi)關(guān)更加的可靠，并成為可以符合設計需要的高效能接口。