電容式接近感應(yīng)技術(shù)在智能手機(jī)中的新型應(yīng)用

引言

紅外(IR)接近傳感器目前被廣泛的應(yīng)用于智能手機(jī)中來(lái)防止通話時(shí)用戶臉部造成的觸摸屏誤觸，同時(shí)降低功耗。IR傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，反映速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是其昂貴的成本和復(fù)雜苛刻的裝配要求，促使手機(jī)廠商尋求成本更低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的方案。電容式接近感應(yīng)在白色家電、智能家居等領(lǐng)域的普及，為手機(jī)接近感應(yīng)方案提供了一種有效的思路。本文提出了一種基于電容變化的手機(jī)接近感應(yīng)方案，給出了具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)和控制要點(diǎn)。此方案已經(jīng)成功地應(yīng)用到知名品牌的手機(jī)產(chǎn)品中，取得了很好的效果。

一 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電容式接近傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制器通過(guò)電極檢測(cè)物體靠近手機(jī)時(shí)引起的電容值變化，一旦電容值變化超過(guò)控制器程序中設(shè)定的閾值，控制器便會(huì)向手機(jī)處理器發(fā)出中斷信號(hào)， 如果此時(shí)手機(jī)正處于通話模式，主機(jī)將關(guān)閉LCD顯示和觸摸屏等部件，實(shí)現(xiàn)降低功耗和避免誤觸等目的。

電極負(fù)責(zé)探測(cè)電容變化，其設(shè)計(jì)質(zhì)量很大程序上決定了系統(tǒng)的整體性能。電極本質(zhì)上就是一塊平面導(dǎo)體，可以是FPC上的一塊銅皮，也可以是電容觸摸屏上的一塊ITO薄膜。

圖2給出的ITO薄膜電極的設(shè)計(jì)示例。電極的尺寸直接影響接近感應(yīng)的探測(cè)距離。在其他設(shè)計(jì)不變時(shí)，探測(cè)距離隨電極尺寸的增大而增大。電極在外形上要盡量圓滑，避免出現(xiàn)直角或者銳角，而且電極要盡量完整。在手機(jī)應(yīng)用中，電極通常采用矩形來(lái)最大化感應(yīng)面積，此時(shí)需要注意圓弧化電極的拐角。電極應(yīng)該放在FPC或者ITO薄膜貼近觸摸屏的一側(cè)，而且背面的另一側(cè)通常需要騰空。電極背面對(duì)應(yīng)的手機(jī)前殼區(qū)域應(yīng)當(dāng)避免有大面積的金屬，否則會(huì)影響探測(cè)距離。電極周邊需要鋪設(shè)地線來(lái)增強(qiáng)電容基準(zhǔn)，屏蔽噪聲，并且提高感應(yīng)方向的直線性。電極和地線的間距建議為0.5mm到1mm， 地線的寬度根據(jù)具體情況而定，建議不小于1mm。電極到芯片的引線應(yīng)該盡量短且細(xì)，以減少寄生電容和耦合噪聲。

影響系統(tǒng)性能的另一個(gè)主要因素是控制器。我們選用了賽普拉斯(Cypress)公司具有全新Quitezone技術(shù)的可編程CapSense控制器CY8C20055。 Quitezone技術(shù)提供了無(wú)與倫比的抗輻射和傳導(dǎo)噪聲的能力，并且具有超低功耗，很適合在手機(jī)等移動(dòng)終端中使用。該技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最佳的信噪比(SNR)，在高噪聲的環(huán)境中也可以通過(guò)Cypress已獲專利的CapSense Sigma-Delta (CSD) Plus算法實(shí)現(xiàn)低至0.1pF的電容變化檢測(cè)，非常適合應(yīng)用于接近感應(yīng)。另外，CY8C20055采用SmartSense自動(dòng)調(diào)教技術(shù)，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償運(yùn)行時(shí)的環(huán)境變化，從而保證性能的穩(wěn)定性和通道之間的一致性。

二 硬件電路

本文設(shè)計(jì)的電容式接近感應(yīng)的電路圖如圖3所示。CY8C20055的外圍電路很簡(jiǎn)單，最小配置只需要2個(gè)電容 — 調(diào)制電容C1和去耦電容C2。

在此電路中，芯片的PIN 3連接到電極來(lái)采集電容信號(hào)，推薦在連線靠近芯片處串聯(lián)一個(gè)典型值為560歐姆的電阻，來(lái)抑制RF噪聲。手機(jī)等移動(dòng)產(chǎn)品都需要通過(guò)嚴(yán)格的ESD測(cè)試，由于電極的位置在手機(jī)上部，距離手機(jī)邊緣、聽(tīng)筒、耳機(jī)插孔等很近(圖2)，而且電極面積相對(duì)較大，ESD電弧很容易在經(jīng)過(guò)這些開(kāi)孔或者縫隙進(jìn)入手機(jī)后耦合到電極上，對(duì)芯片管腳施加較大的電沖擊，存在損壞管腳的風(fēng)險(xiǎn)。本設(shè)計(jì)在靠近芯片一側(cè)添加了TVS之類的ESD防護(hù)元件來(lái)保護(hù)芯片，需要注意的是所選TVS器件的自身電容不能太大。CY8C20055提供I2C或者SPI接口與主機(jī)進(jìn)行通訊。本設(shè)計(jì)中，主機(jī)可以通過(guò)I2C總線來(lái)配置感應(yīng)參數(shù)、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉或喚醒芯片等等，也可以進(jìn)行芯片程序(Firmware)的在線升級(jí)。

在PCB或者FPC布局時(shí)，調(diào)制電容和去耦電容需要盡量貼近芯片管腳。在走線時(shí)，主要注意避免電極引線和I2C信號(hào)線、電源線平行，如果無(wú)法避免，應(yīng)該在走線中間加入地線作為隔離。