電容傳感器與相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用

從理論上說(shuō)，一根走線、間隔、另一根走線，這就是組成一個(gè)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(dāng)手指或某物體或人接近或者碰觸到傳感器時(shí)，電容傳感器會(huì)檢測(cè)(或稱感測(cè))到電容值的變化見圖1(b)所示。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在業(yè)界的應(yīng)用領(lǐng)域上使用多年，它可以用來(lái)量測(cè)液體位準(zhǔn)、濕度、以及物質(zhì)成分。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。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)。于是電容感應(yīng)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(diǎn)。它己成為廉價(jià)而又耐用的傳感技術(shù)。

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。