1、電容檢測(cè)的運(yùn)作特征與解決方案
1.1運(yùn)作特征
實(shí)際的基本電容的傳感器包括了一個(gè)接收器Tx與一個(gè)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(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，見(jiàn)圖2所示。大部分的電場(chǎng)都會(huì)集中在傳感器PCB的兩個(gè)板層之間。然而，會(huì)有一個(gè)邊緣(fringe)電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度是利用內(nèi)建的積分三角(sigma-dedta)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)加以量測(cè)。電感傳感器只能探測(cè)金屬物質(zhì)，而電容傳感器卻可以探測(cè)與傳感器電極特性不同的導(dǎo)體和絕緣體。巧合的是，這種特性使人類非常適合電場(chǎng)成像，因?yàn)槿梭w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(dǎo)體，所以當(dāng)人們的手進(jìn)入到邊緣電場(chǎng)內(nèi)時(shí)(見(jiàn)圖1(b)所示)，電子環(huán)境將會(huì)改變，導(dǎo)致一部份的電場(chǎng)會(huì)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(jì)算電場(chǎng)時(shí)所采用的能被轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到的微微法拉大小。
1.2解決方案
當(dāng)今市場(chǎng)己有專門針對(duì)人機(jī)接口應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的電容感測(cè)用途芯片產(chǎn)品問(wèn)世。它提供了電容傳感器的觸發(fā)，能檢測(cè)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(lái)說(shuō)，電容檢測(cè)的解決方案包含了3個(gè)部分(見(jiàn)圖3所示)：
*驅(qū)動(dòng)IC-提供了觸發(fā)功能、電容值數(shù)字轉(zhuǎn)換器、以及補(bǔ)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(dòng)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(shè)定、還有中斷服務(wù)程序。對(duì)于像是卷動(dòng)棒與滾輪之類的高分辨率傳感器而言，其主微控制器會(huì)執(zhí)行一個(gè)軟件運(yùn)算法，以達(dá)到高分辨率的輸出。按鈕則不需要軟件。
舉例來(lái)說(shuō)，AD7142以及AD7143分別可以對(duì)高達(dá)14個(gè)與8個(gè)電容傳感器予以觸發(fā)及回應(yīng)。他們提供了電容傳感器的觸發(fā)，感測(cè)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(cè)在電子設(shè)備中人機(jī)接口中應(yīng)用
電容檢測(cè)將在人機(jī)接口新領(lǐng)域上應(yīng)用。機(jī)械式的按鈕。開(kāi)關(guān)、以及滾輪(jeg wheel)等裝置長(zhǎng)期以來(lái)一直被當(dāng)成使用者與機(jī)器之間的接口。而電容傳感器比機(jī)械式傳感器具有更好的可靠度-關(guān)于此點(diǎn)有為數(shù)不少的理由。因?yàn)闆](méi)有會(huì)移動(dòng)的零件，所以使用包覆材料。舉例來(lái)說(shuō)，像是MP3播放器的塑料外殼。加以保護(hù)的傳感器不會(huì)有磨損與破裂的情況。人體絕不會(huì)直接接觸到傳感器，所以可以將污物與溢出物封鎖在外。
2.1電容檢測(cè)在汽中的應(yīng)用
如今汽車的開(kāi)關(guān)和按鈕要多得多。不僅數(shù)量眾多．而且還必需能夠很容易地安裝到外形日益多樣化的操縱面之中。另外．它們還需具備成本效益性，以取代密封型開(kāi)關(guān)。一種熱門的方法是轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎秒娙菔接|摸開(kāi)關(guān)(CapSense)。由于未采用機(jī)械式部件而且能夠與成形操縱面相吻合，因此CapSense開(kāi)關(guān)提供了汽車行業(yè)所需要的可靠性和價(jià)位。
*關(guān)于電容式開(kāi)關(guān)
基于電容感測(cè)的技術(shù)而應(yīng)運(yùn)而生的組件逐漸問(wèn)世，值此就電容式開(kāi)關(guān)技術(shù)特征作分析介紹。
電容式開(kāi)關(guān)基本上就是一個(gè)由兩根相鄰走線形成的電容器(見(jiàn)圖1(a))；根據(jù)物理定律在它們之間存在電容。如果把一個(gè)導(dǎo)體(比如：手指)放置在靠近這些極板的地方，則一個(gè)并聯(lián)電容將與該傳感器相耦合(見(jiàn)圖1(b))。當(dāng)把手放置于電容式傳感器之上時(shí)，電容將增加。拿開(kāi)手指后，電容將減小。在增加了用于測(cè)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(gè)電容式開(kāi)關(guān)需要：一個(gè)電容器和電容測(cè)量電路以及用于把電容值轉(zhuǎn)換成某種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的局部智能。
典型的電容式傳感器具有10pF-30pF的電容值。手指通過(guò)1mm的絕緣透明塑料膜耦合至傳感器的電容通常為1pF-2pF。當(dāng)采用較厚的透明塑料膜時(shí)，耦合電容減小。為了檢測(cè)手指的存在與否．需要設(shè)計(jì)能夠測(cè)量出由手指引起的1％電容變化幅度的電容式觸摸感應(yīng)電路。
弛張振蕩器是一種有效而簡(jiǎn)單的電容測(cè)量電路。典型的弛張振蕩器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示于圖4。該電路由4個(gè)元件組成，一開(kāi)始．放電開(kāi)關(guān)處于開(kāi)路狀態(tài)。當(dāng)該開(kāi)關(guān)開(kāi)路時(shí)，全部電流均進(jìn)入傳感器。導(dǎo)致其電壓線性轉(zhuǎn)換。該充電操作持續(xù)進(jìn)行。直至傳感器電壓達(dá)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(dǎo)致放電開(kāi)關(guān)閉合。電容式傳感器通過(guò)該低阻抗路徑迅速放電至地。該過(guò)程將使比較器的輸出從高電平變換至低電平．然后重復(fù)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。測(cè)量該頻率．以確定傳感器電容：
當(dāng)充電電流為5μA、比較器門限為1.3V且傳感器電容為30pf時(shí)，輸出頻率為128kHz。測(cè)量輸出頻率花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，獲得的分辨率就越高。頻率分辨率的提高將改善電容測(cè)量的靈敏度。增加測(cè)量時(shí)間將提升測(cè)量電容分辨率。在每種應(yīng)用中，可根據(jù)不同的傳感器尺寸和透明塑料膜厚度來(lái)相應(yīng)地調(diào)整測(cè)量時(shí)間的變化。
*關(guān)于電容式感應(yīng)技術(shù)
電容式感應(yīng)技術(shù)正在迅速成為面板操作和多媒體交互的全新應(yīng)用技術(shù)，其耐用性和降低BOM成本方面的優(yōu)勢(shì)，使這種技術(shù)在非接觸式操作界面上得到廣泛的應(yīng)用。如采用PSoC（Programmable System-on-Chip）器件系列片上系統(tǒng)芯片，實(shí)現(xiàn)了非接觸式、穩(wěn)定可靠的電容式感應(yīng)按鍵的設(shè)計(jì)。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(yīng)在感應(yīng)有物體接近而非實(shí)際的觸摸時(shí)，尤為重要。這就是“接近探測(cè)”(proximity detection)的概念。汽車門鎖和門禁控制就是接近探測(cè)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。一旦授權(quán)用戶用手接近車門，車門即可打開(kāi)或者啟動(dòng)引擎。當(dāng)然，還有很多其他產(chǎn)品功能與接近事件相關(guān)。“接近探測(cè)”的其他應(yīng)用還包括快速喚醒PC外設(shè)。例如，“接近探測(cè)”可集成在無(wú)線鼠標(biāo)或鍵盤中，從而能從休眠狀態(tài)中快速喚醒。通常情況下，無(wú)線設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)動(dòng)作后進(jìn)入休眠狀態(tài)后，再次喚醒就需要在PC主機(jī)和外設(shè)之間重新綁定。應(yīng)用了接近探測(cè)技術(shù)后，在進(jìn)行接觸前即可喚醒無(wú)線外設(shè)，從而可以省去綁定時(shí)間。
2.2電容感應(yīng)在便攜設(shè)備中的應(yīng)用
電容感應(yīng)是利用人體本身的電容或者導(dǎo)電鐵筆來(lái)產(chǎn)生接觸界面，以替代傳統(tǒng)的機(jī)械控制。這一技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)：工業(yè)設(shè)計(jì)差異化、內(nèi)部完全密封防水、界面壽命、允許接近探測(cè)及電容式觸摸屏應(yīng)用。
電容感應(yīng)已經(jīng)獲得了廣泛的工業(yè)支持。由于當(dāng)今的家電更注重產(chǎn)品設(shè)計(jì)而非功能設(shè)計(jì)，可以預(yù)計(jì)電容感應(yīng)將應(yīng)用于更廣泛的家電控制領(lǐng)域。電冰箱、洗碗機(jī)、灶具等等，都有獨(dú)特的應(yīng)用環(huán)境，向電容感應(yīng)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。由于感應(yīng)元件是完全密封在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的表面下面，噴濺在控制面板上的液體不會(huì)損壞系統(tǒng)，并很容易被清除。對(duì)于汽車和白色家電，由于更新速度不像消費(fèi)電子產(chǎn)品那么快，所以對(duì)控制界面的壽命提出了較高的要求。電容感應(yīng)很適合這兩類產(chǎn)品的需要。由于沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，也就沒(méi)有了磨損。從第一次到每一次觸摸，電容感應(yīng)都是十分完美的。
3、電容傳感器電場(chǎng)測(cè)量功效的應(yīng)用
如今，工程師不必進(jìn)行實(shí)際接觸便可以利用電場(chǎng)來(lái)探測(cè)是否有其他物體出現(xiàn)。這種電場(chǎng)傳感器或者電容傳感器越來(lái)越流行，成為廉價(jià)而又耐用的傳感技術(shù)。許多行業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品都使用了電容傳感器，例如計(jì)算機(jī)外設(shè)、病人監(jiān)控設(shè)備、冰箱霜凍傳感器、銷售終端以及車庫(kù)大門安全傳感器等。最流行最直接的應(yīng)用是觸摸屏和觸摸板。在開(kāi)發(fā)觸摸板時(shí)，有三點(diǎn)是必須要考慮的：觸摸電極設(shè)計(jì)和布板；面板表面不同的絕緣材料；各種環(huán)境條件下對(duì)電場(chǎng)測(cè)量的影響。
電容傳感器還可以用于液面?zhèn)鞲?。例如，一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)將電極棒垂直放入水中，形成一個(gè)縱向電容，利用電場(chǎng)傳感來(lái)測(cè)量液面。沒(méi)有液體時(shí)只有一個(gè)電容，當(dāng)裝入水后，電容被分成了兩部分：一個(gè)填充了空氣(介電常數(shù)為1)，另一個(gè)填充了水(介電常數(shù)為80)。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，就可以確定液面高度。然而，在洗衣機(jī)等應(yīng)用中，水中加入洗滌劑以及有其他雜質(zhì)時(shí)，這一系統(tǒng)不能補(bǔ)償不同介質(zhì)特性的影響，影響了精度。
更復(fù)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(gè)薄片，彼此重疊。當(dāng)液面上升時(shí)，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)域的絕對(duì)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(chǎng)傳感技術(shù)還常用于探測(cè)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距離(1/d)成反比。在典型應(yīng)用中，電容的一個(gè)電極是導(dǎo)電電極的一端，另一個(gè)電極則在被測(cè)物體上。
由于距離和容值相互對(duì)應(yīng)，這類傳感器適用于高精度接近測(cè)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(cè)距離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(yīng)用
傳感器的走線可以是任何尺寸、任何形式、以及任意數(shù)量的。按鈕、滾輪、卷動(dòng)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(jìn)行布局。
設(shè)計(jì)工程師有許多可以用來(lái)完成使用接口的選項(xiàng)，范圍從只是將機(jī)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(gè)輸出位置的游戲把手，或是能夠提128個(gè)輸出位置的滾輪來(lái)代替。
單一傳感器組件所能完成的傳感器數(shù)量，必須視所需傳感器的型態(tài)而定。以AD7142為例，它具有14個(gè)電容輸入接腳以及12個(gè)轉(zhuǎn)換通道。AD7143有8個(gè)電容輸入接腳以及8個(gè)轉(zhuǎn)換通道。可以采用任意數(shù)量的傳感器加以組合，以最多不能超過(guò)可使用的輸入以及通道數(shù)量為限。
在所有相連的傳感器上，會(huì)采用依序循環(huán)(round-robin)的方式依序進(jìn)行量測(cè)。所有的傳感器可以在36ms內(nèi)完成量測(cè)，因此幾乎就是同時(shí)對(duì)每個(gè)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行偵測(cè)——極快速的使用者能夠在40ms內(nèi)執(zhí)行一個(gè)觸發(fā)或是關(guān)閉傳感器的動(dòng)作。
5、結(jié)束語(yǔ)
在人機(jī)界面的應(yīng)用上，電容傳感器與電容式開(kāi)關(guān)及電容感應(yīng)是一項(xiàng)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(fèi)性產(chǎn)品具有創(chuàng)新而且易于使用的接口。它們易于設(shè)計(jì)，使用標(biāo)準(zhǔn)的PCB生產(chǎn)技術(shù)，并且比機(jī)械式開(kāi)關(guān)更加的可靠，并成為可以符合設(shè)計(jì)需要的高效能接口。