電容傳感器與相關技術及其應用

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絕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。這一技術有很多優(yōu)勢：工業(yè)設計差異化、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)獲得了廣泛的工業(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。

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。接收器上的電場強度是利用內(nèi)建的積分三角(sigma-dedta)電容數(shù)字轉換器來加以量測。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絕緣體。巧合的是，這種特性使人類非常適合電場成像，因為人體大部分都是水，介電常數(shù)很大，人體還含有離子物質(zhì)，是良好的電導體，所以當人們的手進入到邊緣電場內(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。

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器具有更好的可靠度-關于此點有為數(shù)不少的理由。因為沒有會移動的零件，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。