消費應用中的電容傳感設(shè)計實用技巧

　　電容觸摸技術(shù)自問世以來，已進軍各類應用。觸摸技術(shù)始于初期手機的電阻式觸摸屏，但由于電阻式觸控傳感器的響應速度較慢，靈敏度成為新設(shè)計的主要考慮因素，隨之而來便出現(xiàn)了電容式觸摸技術(shù)，而觸控界面也隨之在市場上迅速得到普及。

　　電容傳感技術(shù)基于以下原理：物體表面一旦有觸摸動作發(fā)生或者其他任何變化發(fā)生，就會改變該物體中某個區(qū)域的介電特性，從而改變所檢測到的電容，也就是產(chǎn)生電壓變化。與電阻觸摸技術(shù)相比，電容的變化非常快。通過增強表面物質(zhì)的介電特性，還可以提高變化速度。

　　電容傳感器能直接或間接感應各類參數(shù)，其中包括電場、運動、化學特性、加速度、流體特性、壓力等等。傳感器表面是圍繞某種介質(zhì)的電極，在檢測電路和激勵電壓的幫助下，該介質(zhì)能夠?qū)㈦娙葑兓D(zhuǎn)變?yōu)橐粋€變化的電壓。以下是計算電容變化的典型公式：

　　C=(∈_0 ∈_r S)/d Farad.Meter。其中：

　　∈_0是絕對電容率

　　∈_r 是相對電容率

　　s 是表面面積

　　d 是板間距離。

　　此處的∈_0= 8.854 X 〖10〗^(-12)

　　圖1: 電容測量

　　與此類似，我們可以依據(jù)表面面積特性計算出其它對稱表面。對于非對稱電極，場線可以給出等勢面和通量線的近似值。因此，可以通過像素點方塊的數(shù)量估算出電容值。

　　基于電容傳感技術(shù)的觸摸模塊包括按鍵、滑塊、觸摸板、接近感應傳感器、觸摸界面、旋轉(zhuǎn)編碼器以及其它可用于替代噪聲大、笨重的機械按鍵和開關(guān)的界面組件。與機械界面相比，它們不僅能夠縮小系統(tǒng)電路板尺寸，而且還能降低功耗。例如，電容觸摸界面通常工作于1.8V-5V之間，甚至低至0.9 V，但是它們在靈敏度、功耗要求和誤觸方面可能存在問題。

　　一個電容傳感子系統(tǒng)需要圖2中顯示的組件。覆蓋層是PCB(印刷電路板)上設(shè)備的頂層界面，與用戶直接接觸。它是一個光滑表面，用戶通過觸摸它執(zhí)行具體操作。覆蓋層可以是玻璃、木質(zhì)、丙烯酸、塑料或其它任何非導電材料。下一個組件是PCB。PCB根據(jù)介電常數(shù)及損耗選擇。種類包括：面向低成本應用的FR4基板以及面向高成本應用的低損耗RT/duroid高頻線路板材料基板。另一個重要組件是傳感器感應點，要求非常靈敏，其設(shè)計和在PCB的布置有一定的標準。最后也是最重要的組件就是主控制器，它是負責實現(xiàn)觸摸界面所需的所有信號調(diào)節(jié)與處理工作的大腦。

　　圖2:電容傳感子系統(tǒng)的組件

　　電容測量可采用兩種方法完成：即互電容和自電容。圖3 顯示了這兩種方法的工作原理。

　　圖3:互電容和自電容測量的工作原理

　　在自電容傳感器中，測量的是對地電容;而在互電容傳感器中，一個Tx電極和一個 Rx電極均被用于檢測觸摸和非觸摸操作。但觸摸發(fā)生時，信號從Tx電極流向Rx電極。該信號與互電容直接成正比。因此，當觸摸發(fā)生時，互電容降低，而自電容升高。自電容一般用于單點觸摸應用(即單手指界面)，而多點觸摸應用(即可以使用多個手指，如二指手勢)需要互電容。

　　設(shè)計方法

　　雖然電容傳感技術(shù)可提供令用戶滿意的界面，但設(shè)計人員需要維持穩(wěn)定的性能，同時滿足預算限制。魯棒性、可靠性、精度和靈敏度是工程師必須為基于電容觸摸的應用實現(xiàn)的關(guān)鍵特性。我們在本節(jié)將探討工程師需要解決哪些問題才能有效實現(xiàn)消費應用中的電容傳感設(shè)計。

　　控制器的選擇

　　控制器選擇是設(shè)計過程中非常重要的一環(huán)。市場上目前有眾多控制器，每種都有其特殊的能力和特性。適合電容傳感的控制器應在芯片中內(nèi)置一個良好的模擬電路，以實現(xiàn)較高的SNR(信噪比 )，維持性能和精度。此外，還建議控制器支持信號調(diào)節(jié)功能，因為處理電容信號(尤其是在那些多點觸摸應用中)需要進行大量的信號調(diào)節(jié)。增加用于信號調(diào)節(jié)的驅(qū)動器、緩存器或轉(zhuǎn)換器等額外硬件通常不是什么好主意，因為這些組件可能會增加路徑噪聲和損耗以及物料(BOM)成本。設(shè)計用于傳輸模擬數(shù)據(jù)的走線也需要特殊技能，因為走線尺寸決定了信號強度，而后者與阻抗匹配成正比。

　　PSoC(可編程片上系統(tǒng))控制器內(nèi)置電容檢測感應功能以及運算放大器、互阻抗放大器(TIA)等信號調(diào)理電路，它們能讓工程師在不增加硬件的情況下將傳感器與控制器直接對接。

　　電容傳感技術(shù)對水和濕氣也很敏感。這有可能影響洗衣機、冰箱等應具備防潮能力的應用的性能和可靠性。水也有電容率，因此會增加電容值，影響電容觸摸效果。因此，電容感應傳感器必須具備防水性，從而讓控制器具備防水功能。

　　很多消費級系統(tǒng)都可以采用以下方式降低成本：使用一個性能較低的處理器，將模擬傳感器數(shù)據(jù)和電容測量結(jié)果傳輸至離線處理。目前，BLE傳輸技術(shù)通常被用于向安卓和iOS應用傳輸數(shù)據(jù)。其它應用可能需要使用WiFi、ZigBee或 WiMax等其它無線通信技術(shù)。一個支持無線功能的控制器可極大簡化設(shè)計。

　　調(diào)諧方法和固件功能

　　對于那些使用電容傳感技術(shù)的系統(tǒng)而言，模擬傳感器調(diào)諧是一個重要的設(shè)計步驟。電容感應的精度在很大程度上取決于環(huán)境的介電常數(shù)，并受觸摸環(huán)境的影響。設(shè)備應能在潮濕、低溫、高溫和風雪環(huán)境中工作。這可以通過調(diào)節(jié)固件中的感應sensor參數(shù)來實現(xiàn)。調(diào)試可以是手動或自動(即由微處理器支持)。自動調(diào)試技術(shù)避免了耗時、耗力的逐步調(diào)試傳感器的過程。手動調(diào)試對于構(gòu)建數(shù)量較少的應用較為方便，因為它不需要大量軟件，但需要關(guān)注很多因素，如SNR、材料的介電常數(shù)、覆蓋層的厚度、靈敏度、響應時間等等。一個靈活的控制器應支持自動和手動調(diào)諧功能，從而便于量產(chǎn)和操作。

　　實現(xiàn)智能的信號處理算法還需要良好的固件功能?？紤]到調(diào)試電容系統(tǒng)的復雜性，控制器必須得到一個綜合設(shè)計環(huán)境的支持。例如，PSoC Creator是一個集成開發(fā)環(huán)境，可讓設(shè)計人在不需要編寫復雜代碼的情況下，設(shè)計出具備復雜信號處理功能的電容傳感模塊。

　　覆蓋層及固定方法的選擇

　　覆蓋層不僅決定著終端產(chǎn)品的外觀，還決定了其感應靈敏度。圖4顯示了采用電容傳感技術(shù)的系統(tǒng)中所使用的不同類型的覆蓋層，如木質(zhì)、丙烯酸和玻璃等。實驗結(jié)果顯示，所有這些覆蓋層均需要調(diào)試才能可靠工作。因為固定問題而導致的覆蓋層識別等問題在消費應用中最常見。

　　圖4:電容傳感技術(shù)所采用的覆蓋層

　　電容值隨基板和電極之間的間隙而變化。如果覆蓋層固定不合理，不斷變化的間隙就可能會影響整個系統(tǒng)的性能和精度。吸膠、磁力校準和機械固定是消費電子行業(yè)所采用的避免此類問題的一些標準技術(shù)。覆蓋層厚度是另一個重要參數(shù)，因為厚度與電容值和靈敏度成正比。從產(chǎn)品角度而言，覆蓋層的材料、工藝和外觀是重要參數(shù)。在消費應用中，量產(chǎn)一款基于覆蓋層的產(chǎn)品是一項設(shè)計和制造挑戰(zhàn)。

　　傳感器元件的布置和接地技術(shù)

　　通常而言，PCB的地平面應整體均勻。這可以減低噪聲，因為噪聲是均勻分布的。但這同時增加了寄生電容Cp，從而影響基于電容傳感技術(shù)的應用。Cp是與傳感器走線相關(guān)的重要參數(shù)。隨著Cp的增加，布局的難度也將增加，因為工程師必須更加謹慎，不引入其它寄生電容。這實際上降低了設(shè)計人員對布線設(shè)計的容忍度。

　　因此，應為電容應用選擇一個hash接地層，而不是均勻的地平面。傳感器感應點沒有任何其它電信號走線或金屬器件。圖5顯示了這一原理。

　　圖5: 電容傳感器電路板的PCB結(jié)構(gòu)

　　電路板技術(shù)的選擇也是影響Cp的一個重要因素。在大多數(shù)產(chǎn)品中，人們觀察到柔性材料更適合連接傳感器和電路，因為它給系統(tǒng)增加的Cp較少。總電容是人觸摸電容、PCB電容(FR4和柔性PCB的該值不同)、PCB走線電容和系統(tǒng)中其它寄生效應的和。因此，調(diào)試是一個重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。

　　最后，可通過為電容傳感器提供屏蔽裝置(即地平面)避免誤觸、EMI、EMC噪聲和其它不良效應。圖6是響應一次電容刺激的橫截面圖。

　　圖6： 電容墊和布局技術(shù)的橫截面圖

　　BOM優(yōu)化

　　BOM優(yōu)化也是產(chǎn)品設(shè)計的一個重要標準。復雜的機械設(shè)計、外殼和光滑的覆蓋層在增加美觀的同時也增加了BOM成本，采用RT/Duroid基板、玻璃覆蓋層和一個時尚的外殼肯定會打造出一款同類最佳產(chǎn)品，但其高昂的成本可能會令其在市場上遭遇失敗。

　　結(jié)束語

　　本文探討了面向消費應用的電容傳感技術(shù)的工作原理、設(shè)計和應用，以及傳感器調(diào)試、組件選擇、布置標準等設(shè)計中遇到的各種問題，并給出了可能的解決方案。使用一個集成電容傳感技術(shù)所需特性的控制器可提升產(chǎn)品的性能和可靠性，并降低其成本和復雜性。

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