電容傳感器與相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用

從理論上說，一根走線、間隔、另一根走線，這就是組成一個(gè)電容傳感器的全部所需，見圖1(a)所示。直接在這些走線上覆蓋一層絕緣透明塑料膜即可使其成為電路板的一部分。當(dāng)手指或某物體或人接近或者碰觸到傳感器時(shí)，電容傳感器會檢測(或稱感測)到電容值的變化見圖1(b)所示。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在業(yè)界的應(yīng)用領(lǐng)域上使用多年，它可以用來量測液體位準(zhǔn)、濕度、以及物質(zhì)成分。這一技術(shù)有很多優(yōu)勢：工業(yè)設(shè)計(jì)差異化、內(nèi)部完全密封防水、界面壽命、允許接近探測及電容式觸摸屏應(yīng)用。由于當(dāng)今的家電更注重產(chǎn)品設(shè)計(jì)而非功能設(shè)計(jì)，可以預(yù)計(jì)電容感應(yīng)將應(yīng)用于更廣泛的家電控制領(lǐng)域。電冰箱、洗碗機(jī)、灶具等等，都有獨(dú)特的應(yīng)用環(huán)境，向電容感應(yīng)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。于是電容感應(yīng)已經(jīng)獲得了廣泛的工業(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(yùn)作特征與解決方案

1.1運(yùn)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。在接收器與發(fā)射器走線之間會形成一個(gè)電場，見圖2所示。大部分的電場都會集中在傳感器PCB的兩個(gè)板層之間。然而，會有一個(gè)邊緣(fringe)電場由發(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。接收器上的電場強(qiáng)度是利用內(nèi)建的積分三角(sigma-dedta)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器來加以量測。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(dǎo)體和絕緣體。巧合的是，這種特性使人類非常適合電場成像，因?yàn)槿梭w大部分都是水，介電常數(shù)很大，人體還含有離子物質(zhì)，是良好的電導(dǎo)體，所以當(dāng)人們的手進(jìn)入到邊緣電場內(nèi)時(shí)(見圖1(b)所示)，電子環(huán)境將會改變，導(dǎo)致一部份的電場會被分流到地線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(jì)算電場時(shí)所采用的能被轉(zhuǎn)換器檢測到的微微法拉大小。

1.2解決方案

        當(dāng)今市場己有專門針對人機(jī)接口應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的電容感測用途芯片產(chǎn)品問世。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(shù)字輸出。

一般來說，電容檢測的解決方案包含了3個(gè)部分(見圖3所示)：

*驅(qū)動IC-提供了觸發(fā)功能、電容值數(shù)字轉(zhuǎn)換器、以及補(bǔ)償電路，以確保在所有環(huán)境中都能有正確的結(jié)果。

*傳感器-具有特定樣式走線的PCB，像是按鈕、卷動軸、滾輪、或是某些組合等。其走線材質(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(zhí)行的軟件-用以執(zhí)行串聯(lián)接口以及組件設(shè)定、還有中斷服務(wù)程序。對于像是卷動棒與滾輪之類的高分辨率傳感器而言，其主微控制器會執(zhí)行一個(gè)軟件運(yùn)算法，以達(dá)到高分辨率的輸出。按鈕則不需要軟件。

      舉例來說，AD7142以及AD7143分別可以對高達(dá)14個(gè)與8個(gè)電容傳感器予以觸發(fā)及回應(yīng)。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(shù)字輸出。

2、電容檢測在電子設(shè)備中人機(jī)接口中應(yīng)用

       電容檢測將在人機(jī)接口新領(lǐng)域上應(yīng)用。機(jī)械式的按鈕。開關(guān)、以及滾輪(jeg wheel)等裝置長期以來一直被當(dāng)成使用者與機(jī)器之間的接口。而電容傳感器比機(jī)械式傳感器具有更好的可靠度-關(guān)于此點(diǎn)有為數(shù)不少的理由。因?yàn)闆]有會移動的零件，所以使用包覆材料。舉例來說，像是MP3播放器的塑料外殼。加以保護(hù)的傳感器不會有磨損與破裂的情況。人體絕不會直接接觸到傳感器，所以可以將污物與溢出物封鎖在外。

2.1電容檢測在汽中的應(yīng)用

       如今汽車的開關(guān)和按鈕要多得多。不僅數(shù)量眾多．而且還必需能夠很容易地安裝到外形日益多樣化的操縱面之中。另外．它們還需具備成本效益性，以取代密封型開關(guān)。一種熱門的方法是轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎秒娙菔接|摸開關(guān)(CapSense)。由于未采用機(jī)械式部件而且能夠與成形操縱面相吻合，因此CapSense開關(guān)提供了汽車行業(yè)所需要的可靠性和價(jià)位。

*關(guān)于電容式開關(guān)

        基于電容感測的技術(shù)而應(yīng)運(yùn)而生的組件逐漸問世，值此就電容式開關(guān)技術(shù)特征作分析介紹。

       電容式開關(guān)基本上就是一個(gè)由兩根相鄰走線形成的電容器(見圖1(a))；根據(jù)物理定律在它們之間存在電容。如果把一個(gè)導(dǎo)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(見圖1(b))。當(dāng)把手放置于電容式傳感器之上時(shí)，電容將增加。拿開手指后，電容將減小。在增加了用于測量電容變化的電路之后，就可以確定手指的存在與否了。

構(gòu)造一個(gè)電容式開關(guān)需要：一個(gè)電容器和電容測量電路以及用于把電容值轉(zhuǎn)換成某種開關(guān)狀態(tài)的局部智能。

典型的電容式傳感器具有10pF-30pF的電容值。手指通過1mm的絕緣透明塑料膜耦合至傳感器的電容通常為1pF-2pF。當(dāng)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(shè)計(jì)能夠測量出由手指引起的1％電容變化幅度的電容式觸摸感應(yīng)電路。

弛張振蕩器是一種有效而簡單的電容測量電路。典型的弛張振蕩器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示于圖4。該電路由4個(gè)元件組成，一開始．放電開關(guān)處于開路狀態(tài)。當(dāng)該開關(guān)開路時(shí)，全部電流均進(jìn)入傳感器。導(dǎo)致其電壓線性轉(zhuǎn)換。該充電操作持續(xù)進(jìn)行。直至傳感器電壓達(dá)到比較器的門限電平為止。比較器隨后從低電平變換至高電平，導(dǎo)致放電開關(guān)閉合。電容式傳感器通過該低阻抗路徑迅速放電至地。該過程將使比較器的輸出從高電平變換至低電平．然后重復(fù)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，而與門限電壓和傳感器電容成反比。測量該頻率．以確定傳感器電容：

當(dāng)充電電流為5μA、比較器門限為1.3V且傳感器電容為30pf時(shí)，輸出頻率為128kHz。測量輸出頻率花費(fèi)的時(shí)間越長，獲得的分辨率就越高。頻率分辨率的提高將改善電容測量的靈敏度。增加測量時(shí)間將提升測量電容分辨率。在每種應(yīng)用中，可根據(jù)不同的傳感器尺寸和透明塑料膜厚度來相應(yīng)地調(diào)整測量時(shí)間的變化。

*關(guān)于電容式感應(yīng)技術(shù)

電容式感應(yīng)技術(shù)正在迅速成為面板操作和多媒體交互的全新應(yīng)用技術(shù)，其耐用性和降低BOM成本方面的優(yōu)勢，使這種技術(shù)在非接觸式操作界面上得到廣泛的應(yīng)用。如采用PSoC（Programmable System-on-Chip）器件系列片上系統(tǒng)芯片，實(shí)現(xiàn)了非接觸式、穩(wěn)定可靠的電容式感應(yīng)按鍵的設(shè)計(jì)。而1PSoC片上系統(tǒng)PSoC微處理器由處理器內(nèi)核、系統(tǒng)資源、數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)組成。

電容感應(yīng)在感應(yīng)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。汽車門鎖和門禁控制就是接近探測的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。一旦授權(quán)用戶用手接近車門，車門即可打開或者啟動引擎。當(dāng)然，還有很多其他產(chǎn)品功能與接近事件相關(guān)。“接近探測”的其他應(yīng)用還包括快速喚醒PC外設(shè)。例如，“接近探測”可集成在無線鼠標(biāo)或鍵盤中，從而能從休眠狀態(tài)中快速喚醒。通常情況下，無線設(shè)備在長時(shí)間無動作后進(jìn)入休眠狀態(tài)后，再次喚醒就需要在PC主機(jī)和外設(shè)之間重新綁定。應(yīng)用了接近探測技術(shù)后，在進(jìn)行接觸前即可喚醒無線外設(shè)，從而可以省去綁定時(shí)間。

2.2電容感應(yīng)在便攜設(shè)備中的應(yīng)用

電容感應(yīng)是利用人體本身的電容或者導(dǎo)電鐵筆來產(chǎn)生接觸界面，以替代傳統(tǒng)的機(jī)械控制。這一技術(shù)有很多優(yōu)勢：工業(yè)設(shè)計(jì)差異化、內(nèi)部完全密封防水、界面壽命、允許接近探測及電容式觸摸屏應(yīng)用。

電容感應(yīng)已經(jīng)獲得了廣泛的工業(yè)支持。由于當(dāng)今的家電更注重產(chǎn)品設(shè)計(jì)而非功能設(shè)計(jì)，可以預(yù)計(jì)電容感應(yīng)將應(yīng)用于更廣泛的家電控制領(lǐng)域。電冰箱、洗碗機(jī)、灶具等等，都有獨(dú)特的應(yīng)用環(huán)境，向電容感應(yīng)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。由于感應(yīng)元件是完全密封在沒有運(yùn)動部件的表面下面，噴濺在控制面板上的液體不會損壞系統(tǒng)，并很容易被清除。對于汽車和白色家電，由于更新速度不像消費(fèi)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(yīng)很適合這兩類產(chǎn)品的需要。由于沒有機(jī)械運(yùn)動部件，也就沒有了磨損。從第一次到每一次觸摸，電容感應(yīng)都是十分完美的。

3、電容傳感器電場測量功效的應(yīng)用

如今，工程師不必進(jìn)行實(shí)際接觸便可以利用電場來探測是否有其他物體出現(xiàn)。這種電場傳感器或者電容傳感器越來越流行，成為廉價(jià)而又耐用的傳感技術(shù)。許多行業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品都使用了電容傳感器，例如計(jì)算機(jī)外設(shè)、病人監(jiān)控設(shè)備、冰箱霜凍傳感器、銷售終端以及車庫大門安全傳感器等。最流行最直接的應(yīng)用是觸摸屏和觸摸板。在開發(fā)觸摸板時(shí)，有三點(diǎn)是必須要考慮的：觸摸電極設(shè)計(jì)和布板；面板表面不同的絕緣材料；各種環(huán)境條件下對電場測量的影響。

電容傳感器還可以用于液面?zhèn)鞲?。例如，一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)將電極棒垂直放入水中，形成一個(gè)縱向電容，利用電場傳感來測量液面。沒有液體時(shí)只有一個(gè)電容，當(dāng)裝入水后，電容被分成了兩部分：一個(gè)填充了空氣(介電常數(shù)為1)，另一個(gè)填充了水(介電常數(shù)為80)。通過簡單的計(jì)算，就可以確定液面高度。然而，在洗衣機(jī)等應(yīng)用中，水中加入洗滌劑以及有其他雜質(zhì)時(shí)，這一系統(tǒng)不能補(bǔ)償不同介質(zhì)特性的影響，影響了精度。

更復(fù)雜的電容系統(tǒng)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(dāng)液面上升時(shí)，電極的不同區(qū)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(qū)域的絕對值提供了介電常數(shù)信息，可以估算水中的肥皂等其他雜質(zhì)。

電場傳感技術(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距離(1/d)成反比。在典型應(yīng)用中，電容的一個(gè)電極是導(dǎo)電電極的一端，另一個(gè)電極則在被測物體上。

由于距離和容值相互對應(yīng)，這類傳感器適用于高精度接近測量(圖5(b))。在一般室內(nèi)環(huán)境中，F(xiàn)reescale的MC34940使用1平方英尺的電極可以探測距離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(yīng)用

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

設(shè)計(jì)工程師有許多可以用來完成使用接口的選項(xiàng)，范圍從只是將機(jī)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)輸出位置的滾輪來代替。

單一傳感器組件所能完成的傳感器數(shù)量，必須視所需傳感器的型態(tài)而定。以AD7142為例，它具有14個(gè)電容輸入接腳以及12個(gè)轉(zhuǎn)換通道。AD7143有8個(gè)電容輸入接腳以及8個(gè)轉(zhuǎn)換通道?？梢圆捎萌我鈹?shù)量的傳感器加以組合，以最多不能超過可使用的輸入以及通道數(shù)量為限。

在所有相連的傳感器上，會采用依序循環(huán)(round-robin)的方式依序進(jìn)行量測。所有的傳感器可以在36ms內(nèi)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(nèi)執(zhí)行一個(gè)觸發(fā)或是關(guān)閉傳感器的動作。

5、結(jié)束語

在人機(jī)界面的應(yīng)用上，電容傳感器與電容式開關(guān)及電容感應(yīng)是一項(xiàng)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(fèi)性產(chǎn)品具有創(chuàng)新而且易于使用的接口。它們易于設(shè)計(jì)，使用標(biāo)準(zhǔn)的PCB生產(chǎn)技術(shù)，并且比機(jī)械式開關(guān)更加的可靠，并成為可以符合設(shè)計(jì)需要的高效能接口。