醫(yī)療設(shè)備中的電容檢測(cè)技術(shù)

中心議題:

醫(yī)療設(shè)備中的電容檢測(cè)技術(shù)的分析

解決方案:

使用容性傳感器電極的器件

開(kāi)發(fā)高性能電容數(shù)字控制器

電容檢測(cè)不僅用在您的智能手機(jī)中;在必須與人體皮膚接觸的醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)品中，它也有用武之地。本文介紹如何使用電容檢測(cè)來(lái)確定設(shè)備表面與用戶(hù)皮膚的接觸質(zhì)量。

容性檢測(cè)技術(shù)在傳統(tǒng)的人機(jī)界面應(yīng)用中繼續(xù)受到青睞，例如筆記本電腦觸控板、MP3播放器、觸摸屏顯示器和近程檢測(cè)器等。除了利用容性傳感器取代機(jī)械按鈕外，用一點(diǎn)點(diǎn)想象力，再加上人機(jī)界面設(shè)計(jì)的基本原理，將會(huì)使很多其它應(yīng)用也能利用這一技術(shù)。圖1所示為一些應(yīng)用概念示例，這些概念可以通過(guò)采用人體接觸檢測(cè)得到完善。

圖1. 使用容性傳感器電極的器件

對(duì)于圖1中所示的器件，若能在啟動(dòng)器件或進(jìn)行測(cè)量之前先了解器件與皮膚之間的接觸質(zhì)量等相關(guān)信息，往往較為有利。這些器件包括需要緊靠皮膚的醫(yī)用探針、生物電位電極傳感器或者用于固定導(dǎo)管用管的外殼。為確定接觸條件，可以在注塑生產(chǎn)過(guò)程中將圖中綠色的幾個(gè)容性傳感器電極直接嵌入器件的塑料外殼。主機(jī)微控制器讀取容性傳感器控制器IC上的一些狀態(tài)寄存器，這些寄存器表示容性傳感器離皮膚有多近。隨后，主機(jī)微控制器上運(yùn)行的基本檢測(cè)算法處理狀態(tài)寄存器信息，以確定各傳感器電極與皮膚的接觸是否適當(dāng)。

在傳統(tǒng)的容性檢測(cè)人機(jī)界面應(yīng)用中，人們一般通過(guò)手指觸碰開(kāi)始接觸傳感器電極。圖1中的示例則以非傳統(tǒng)方式使用容性傳感器，用戶(hù)在人體上放置了一個(gè)含有容性檢測(cè)電極的器件。開(kāi)發(fā)這類(lèi)應(yīng)用很簡(jiǎn)單，但為了構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，還是應(yīng)當(dāng)遵守一些關(guān)鍵準(zhǔn)則。

電容數(shù)字控制器。開(kāi)發(fā)高性能接觸檢測(cè)應(yīng)用，首先要選擇一個(gè)合適的電容數(shù)字控制器(CDC)。對(duì)于圖1所示的應(yīng)用，器件表面與皮膚的接觸是直接通過(guò)能量的細(xì)微變化測(cè)量的，這種能量變化分布在容性傳感器電極陣列中，當(dāng)器件與皮膚發(fā)生接觸時(shí)就會(huì)產(chǎn)生。這種測(cè)量的精度取決于CDC模擬前端的靈敏度和傳感器電極的數(shù)量。采用傳統(tǒng)PCB工藝制造的容性傳感器精度通常在50 fF至20 pF范圍內(nèi)，因此使用16位CDC的高精度測(cè)量技術(shù)是比較理想的。

在選擇CDC時(shí)，首先要明確一些關(guān)鍵特性，例如帶16位ADC的高分辨率模擬前端、可編程傳感器靈敏度設(shè)置、可編程傳感器失調(diào)控制、片內(nèi)環(huán)境校準(zhǔn)、支持理想數(shù)量傳感器電極的充足容性輸入通道，以及無(wú)需使用外部RC器件進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)的集成設(shè)計(jì)。這些特性均支持可靠而靈活的應(yīng)用，帶來(lái)最佳用戶(hù)體驗(yàn)。例如，可編程靈敏度可使界面設(shè)計(jì)人員針對(duì)具體應(yīng)用預(yù)設(shè)最佳的傳感器靈敏度，而非采用可能導(dǎo)致較差靈敏度的固定解決方案?？删幊淌д{(diào)控制對(duì)界面設(shè)計(jì)人員是另一個(gè)重要特性，因?yàn)槊恳粋€(gè)生產(chǎn)批次的傳感器板的失調(diào)值可能都會(huì)略有不同?？焖兕A(yù)表征允許在將新傳感器板投入量產(chǎn)之前更改主機(jī)固件設(shè)置。對(duì)于環(huán)境溫度或濕度預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生變化的應(yīng)用，片內(nèi)環(huán)境校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)更可靠的解決方案。請(qǐng)注意，電極傳感器是使用標(biāo)準(zhǔn)PCB銅跡線(xiàn)構(gòu)建的;基板的屬性會(huì)隨溫度和濕度的變化而改變，因此將會(huì)改變傳感器輸出的基線(xiàn)電平。如果CDC支持片內(nèi)校準(zhǔn)，這種基線(xiàn)漂移就可以在產(chǎn)品使用中得到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

小電極需要高靈敏度。測(cè)量的目標(biāo)是確定設(shè)備與皮膚的緊靠程度;皮膚與設(shè)備的接觸質(zhì)量越好，設(shè)備的讀取就越準(zhǔn)確。測(cè)量的準(zhǔn)確度取決于分布在器件接觸面區(qū)域的電極傳感器的數(shù)量(電極越多，分辨率越高)和大小。對(duì)于圖1所示的應(yīng)用，器件的表面區(qū)域一般很小，需要設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)應(yīng)用時(shí)采用小型傳感器電極。

為了可靠測(cè)量與小傳感器電極相關(guān)的小電容變化(一般小于50 pF)，需要使用高靈敏度模擬前端控制器。請(qǐng)記住，塑料覆蓋材料的類(lèi)型和厚度會(huì)進(jìn)一步影響傳感器透過(guò)塑料發(fā)射的小信號(hào)?？刂破鞯哪M前端測(cè)量必須具有足夠的靈敏度來(lái)測(cè)量這種小信號(hào)，同時(shí)在所有工作條件下(例如不同的電源電壓、溫度和濕度以及覆蓋面材料的厚度和種類(lèi))，在測(cè)得信號(hào)和閾值電平檢測(cè)設(shè)置之間保持較好的信號(hào)余量。較低的信號(hào)余量會(huì)增加誤檢和傳感器不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。為了最大程度降低風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)使用帶16位ADC的CDC時(shí)，在傳感器基線(xiàn)電平(傳感器沒(méi)有與皮膚接觸)與接觸閾值電平之間應(yīng)保持至少1000 LSB的余量。

AD7147和AD7148 CapTouch可編程控制器用于單電極電容傳感器，具有16位分辨率，可進(jìn)行毫微微法拉級(jí)測(cè)量，并可在滿(mǎn)量程范圍內(nèi)設(shè)置16個(gè)可編程閾值檢測(cè)電平值。這兩款控制器支持1 mm塑料覆蓋材料(介電常數(shù)為3.0)下的3 mm × 3 mm的小型傳感器電極，同時(shí)仍保持1000 ADC LSB的滿(mǎn)量程信號(hào)余量。滿(mǎn)量程信號(hào)余量是指在沒(méi)有皮膚接觸和有皮膚接觸的情況下傳感器輸出之間的差。

保持可靠性能。容性傳感器電極是采用PCB上的標(biāo)準(zhǔn)銅材料或柔性材料制成的。這種材料的特性會(huì)隨溫度和濕度的變化而發(fā)生改變。這種變化會(huì)使基線(xiàn)電平發(fā)生偏移(所有傳感器閾值電平均是以基線(xiàn)電平為參考的)。較大的基線(xiàn)偏移增加了接觸閾值電平過(guò)低或過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)(過(guò)低還是過(guò)高取決于基線(xiàn)偏移的方向)這會(huì)引起虛假的接觸誤差，或使閾值電平不是太靈敏就是不夠靈敏，導(dǎo)致接觸狀態(tài)的不穩(wěn)定。為保持傳感器原始的信號(hào)接觸閾值檢測(cè)電平余量(靈敏度)，CDC需要自動(dòng)跟蹤基線(xiàn)偏移誤差的幅度，并對(duì)閾值設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的重新調(diào)整。圖2中的示例介紹了AD7147和AD7148的閾值電平如何針對(duì)因環(huán)境條件變化引起的基線(xiàn)失調(diào)變化進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和調(diào)整。

圖2. AD7147/AD7148片內(nèi)環(huán)境校準(zhǔn)

消除測(cè)量誤差。在器件內(nèi)加入容性傳感器電極陣列的改裝行為可能造成空間限制，迫使設(shè)計(jì)人員將CDC放置在遠(yuǎn)離容性傳感器的位置。這會(huì)增加并行傳感器走線(xiàn)的長(zhǎng)度并使布線(xiàn)密集，不利于容性檢測(cè)應(yīng)用，因?yàn)樘幱诓煌绷麟娢坏淖呔€(xiàn)會(huì)形成圖3A所示的雜散耦合路徑。 PCB的接地層無(wú)法預(yù)防這種情況，因?yàn)樽呔€(xiàn)和接地層處于不同的直流電位，仍會(huì)形成雜散電容(圖3B)。

圖3. 雜散電容的路徑，顯示了下列并行走線(xiàn)的結(jié)果：無(wú)灌銅層的并行走線(xiàn)(A)、接地灌銅層上的并行走線(xiàn)(B)，以及與走線(xiàn)具有相同直流電位的灌銅層上的并行走線(xiàn)(C)。

若要消除雜散電容誤差，一種方法是將相鄰的走線(xiàn)用由直流電平驅(qū)動(dòng)的層包圍起來(lái)(該直流電平與容性傳感器電極和走線(xiàn)的直流電平相同)。AD7147和AD7148器件通過(guò)提供具有此功能的專(zhuān)用ACSHIELD輸出來(lái)消除雜散電容，如圖3C所示。

總結(jié)：

水療護(hù)膚產(chǎn)品等消費(fèi)類(lèi)保健設(shè)備正從專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)走入普通家庭，用戶(hù)不再是經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)、熟悉產(chǎn)品及其應(yīng)用的技師。因此，很多這類(lèi)產(chǎn)品需要更智能的用戶(hù)界面，才能使未經(jīng)培訓(xùn)的用戶(hù)也能掌握正確的產(chǎn)品使用方法。容性檢測(cè)為用戶(hù)界面設(shè)計(jì)人員提供了新的選擇，使他們能夠探索各種創(chuàng)新方法以滿(mǎn)足新的用戶(hù)界面需求。容性數(shù)字技術(shù)提供容性傳感器電極與皮膚的接觸信息，可用來(lái)保持最佳的產(chǎn)品性能和安全性。