關于電容傳感器與相關技術(shù)及其應用

前言

　　從理論上說，一根走線、間隔、另一根走線，這就是組成一個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，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。此項技術(shù)已經(jīng)在業(yè)界的應用領域上使用多年，它可以用來量測液體位準、濕度、以及物質(zhì)成分。這一技術(shù)有很多上風：產(chǎn)業(yè)設計差異化、內(nèi)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(zhàn)。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。它己成為廉價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

　　實際的基本電容的傳感器包括了一個接收器Tx與一個發(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的兩個板層之間。然而，會有一個邊沿(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體和盡緣體。偶合的是，這種特性使人類非常適合電場成像，由于人體大部分都是水，介電常數(shù)很大，人體還含有離子物質(zhì)，是良好的電導體，所以當人們的手進進到邊沿電場內(nèi)時(見圖1(b)所示)，電子環(huán)境將會改變，導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，不同于一般計算電場時所采用的能被轉(zhuǎn)換器檢測到的微微法拉大小。

1.2解決方案

　　當今市場己有專門針對人機接口應用領域而設計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。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 | 萬能鉗 | 電流計 | 尖嘴鉗 | VOC檢測儀 | 輻照計 | 水份計 | 折射計

　　一般來說，電容檢測的解決方案包含了3個部分(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)接口以及組件設定、還有中斷服務程序。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。

　　舉例來說，AD7142以及AD7143分別可以對高達14個與8個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(shù)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域上應用。機械式的按鈕。開關、以及滾輪(jeg wheel)等裝置長期以來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-關于此點有為數(shù)不少的理由。由于沒有會移動的零件，所以使用包覆材料。舉例來說，像是MP3播放器的塑料外殼。加以保護的傳感器不會有磨損與破裂的情況。人體盡不會直接接觸到傳感器，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

　　如今汽車的開關和按鈕要多得多。不僅數(shù)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．它們還需具備本錢效益性，以取代密封型開關。一種熱門的方法是轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎秒娙菔接|摸開關(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開關提供了汽車行業(yè)所需要的可靠性和價位。

*關于電容式開關

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

　　電容式開關基本上就是一個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。假如把一個導體(比如：手指)放置在靠近這些極板的地方，則一個并聯(lián)電容將與該傳感器相耦合(見圖1(b))。當把手放置于電容式傳感器之上時，電容將增加。拿開手指后，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(gòu)造一個電容式開關需要：一個電容器和電容丈量電路以及用于把電容值轉(zhuǎn)換成某種開關狀態(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，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單的電容丈量電路。典型的弛張振蕩器電路拓撲結(jié)構(gòu)示于圖4。該電路由4個元件組成，一開始．放電開關處于開路狀態(tài)。當該開關開路時，全部電流均進進傳感器。導致其電壓線性轉(zhuǎn)換。該充電操縱持續(xù)進行。直至傳感器電壓達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，導致放電開封閉合。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。丈量該頻率．以確定傳感器電容：

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

*關于電容式感應技術(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本錢方面的上風，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(tǒng)芯片，實現(xiàn)了非接觸式、穩(wěn)定可靠的電容式感應按鍵的設計。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。

　　電容感應在感應有物體接近而非實際的觸摸時，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應用實例。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。當然，還有很多其他產(chǎn)品功能與接近事件相關�！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”可集成在無線鼠標或鍵盤中，從而能從休眠狀態(tài)中快速喚醒。通常情況下，無線設備在長時間無動作后進進休眠狀態(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，在進行接觸前即可喚醒無線外設，從而可以省往綁定時間。

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產(chǎn)生接觸界面，以替換傳統(tǒng)的機械控制。這一技術(shù)有很多上風：產(chǎn)業(yè)設計差異化、內(nèi)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(zhàn)。由于感應元件是完全密封在沒有運動部件的表面下面，噴濺在控制面板上的液體不會損壞系統(tǒng)，并很輕易被清除。對于汽車和白色家電，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產(chǎn)品的需要。由于沒有機械運動部件，也就沒有了磨損。從第一次到每一次觸摸，電容感應都是十分完美的。

3、電容傳感器電場丈量功效的應用

　　如今，工程師不必進行實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，成為廉價而又耐用的傳感技術(shù)。很多行業(yè)和消費類產(chǎn)品都使用了電容傳感器，例如計算機外設、病人監(jiān)控設備、冰箱霜凍傳感器、銷售終端以及車庫大門安全傳感器等。最流行最直接的應用是觸摸屏和觸摸板。在開發(fā)觸摸板時，有三點是必須要考慮的：觸摸電極設計和布板；面板表面不同的盡緣材料；各種環(huán)境條件下對電場丈量的影響。

　　電容傳感器還可以用于液面?zhèn)鞲�。例如，一個簡單的設計將電極棒垂直放進水中，形成一個縱向電容，利用電場傳感來丈量液面。沒有液體時只有一個電容，當裝進水后，電容被分成了兩部分：一個填充了空氣(介電常數(shù)為1)，另一個填充了水(介電常數(shù)為80)。通過簡單的計算，就可以確定液面高度。然而，在洗衣機等應用中，水中加進洗滌劑以及有其他雜質(zhì)時，這一系統(tǒng)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(tǒng)使用坡度電極；它采用厚度變化相同的兩個薄片，彼此重疊。當液面上升時，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)域的盡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間隔(1/d)成反比。在典型應用中，電容的一個電極是導電電極的一端，另一個電極則在被測物體上。

　　由于間隔和容值相互對應，這類傳感器適用于高精度接近丈量(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

　　傳感器的走線可以是任何尺寸、任何形式、以及任意數(shù)目的。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上進行布局。

　　設計工程師有很多可以用來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．而改以具有八個輸出位置的游戲把手，或是能夠提128個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)目，必須視所需傳感器的型態(tài)而定。以AD7142為例，它具有14個電容輸進接腳以及12個轉(zhuǎn)換通道。AD7143有8個電容輸進接腳以及8個轉(zhuǎn)換通道�？梢圆捎萌我鈹�(shù)目的傳感器加以組合，以最多不能超過可使用的輸進以及通道數(shù)目為限。

　　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，因此幾乎就是同時對每個傳感器的狀態(tài)進行偵測——極快速的使用者能夠在40ms內(nèi)執(zhí)行一個觸發(fā)或是封閉傳感器的動作。

5、結(jié)束語

　　在人機界面的應用上，電容傳感器與電容式開關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)，并且比機械式開關更加的可靠，并成為可以符合設計需要的高效能接口。