醫(yī)療設(shè)備中的電容檢測技術(shù)

中心議題:

醫(yī)療設(shè)備中的電容檢測技術(shù)的分析

解決方案:

使用容性傳感器電極的器件

開發(fā)高性能電容數(shù)字控制器

電容檢測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來確定設(shè)備表面與用戶皮膚的接觸質(zhì)量。

容性檢測技術(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，這些概念可以通過采用人體接觸檢測得到完善。

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)的容性檢測人機(jī)界面應(yīng)用中，人們一般通過手指觸碰開始接觸傳感器電極。圖1中的示例則以非傳統(tǒng)方式使用容性傳感器，用戶在人體上放置了一個(gè)含有容性檢測電極的器件。開發(fā)這類應(yīng)用很簡單，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。開發(fā)高性能接觸檢測應(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能量的細(xì)微變化測量的，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，帶來最佳用戶體驗(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。可編程失調(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電平。如果CDC支持片內(nèi)校準(zhǔn)，這種基線漂移就可以在產(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)人員在開發(fā)應(yīng)用時(shí)采用小型傳感器電極。

為了可靠測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，塑料覆蓋材料的類型和厚度會(huì)進(jìn)一步影響傳感器透過塑料發(fā)射的小信號(hào)?？刂破鞯哪M前端測量必須具有足夠的靈敏度來測量這種小信號(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)，在測得信號(hào)和閾值電平檢測設(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)，在傳感器基線電平(傳感器沒有與皮膚接觸)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)測量，并可在滿量程范圍內(nèi)設(shè)置16個(gè)可編程閾值檢測電平值。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的滿量程信號(hào)余量。滿量程信號(hào)余量是指在沒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)使基線電平發(fā)生偏移(所有傳感器閾值電平均是以基線電平為參考的)。較大的基線偏移增加了接觸閾值電平過低或過高的風(fēng)險(xiǎn)(過低還是過高取決于基線偏移的方向)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)接觸閾值檢測電平余量(靈敏度)，CDC需要自動(dòng)跟蹤基線偏移誤差的幅度，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的長度并使布線密集，不利于容性檢測應(yīng)用，因?yàn)樘幱诓煌绷麟娢坏淖呔€會(huì)形成圖3A所示的雜散耦合路徑。 PCB的接地層無法預(yù)防這種情況，因?yàn)樽呔€和接地層處于不同的直流電位，仍會(huì)形成雜散電容(圖3B)。