電池供電設(shè)備中的電容傳感設(shè)計(jì)考量

平板電腦和手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備一般需要接近傳感器實(shí)施特定吸收率(SAR)查驗(yàn)和近耳(on-ear)檢測(cè)。電容感測(cè)可以滿足這兩個(gè)要求。自電容技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備的接近感應(yīng)。非常有必要指出：感測(cè)電極及其尺寸，并非唯一設(shè)計(jì)變量。此外，要努力在時(shí)刻將品質(zhì)管控牢記在心的前提下，有效地實(shí)現(xiàn)SAR傳感器。

電容式接近感應(yīng)技術(shù)概述

電容式感測(cè)技術(shù)是能通過(guò)SAR測(cè)試的極少數(shù)具有成本效益的技術(shù)之一。電容感測(cè)技術(shù)沒(méi)有其它傳感器技術(shù)所有的各種限制。

在需要最佳性能的復(fù)雜和緊湊的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)電容式傳感器時(shí)，注意一些關(guān)鍵要點(diǎn)很重要：

與電池地的關(guān)聯(lián)：所有的傳感器測(cè)量都是相對(duì)于電池地(設(shè)備地)的。人體地(充分耦合到大地)和設(shè)備地之間的變異會(huì)影響性能。下圖顯示了這些潛在變數(shù)。

極度敏感：下圖顯示的是一個(gè)平行板電容器的理論值。當(dāng)人(無(wú)限地平面)接近電容式傳感器(充電的電極)時(shí)，情況與下圖類(lèi)似。將這種水平的敏感性(每毫米屈指可數(shù)幾個(gè)毫微微法拉的增量)牢記在心，就更容易理解機(jī)械不穩(wěn)定性和典型設(shè)備放置為什么也可以觸發(fā)此種傳感器。機(jī)械不穩(wěn)定性是指柔性印刷電路(FPC)微米級(jí)水平的運(yùn)動(dòng)或設(shè)備外殼相對(duì)于電池或設(shè)備內(nèi)另一個(gè)大的接地結(jié)構(gòu)的位置。

圖1：電路元件描述顯示了設(shè)備地對(duì)感測(cè)性能的影響。

圖2：1mm×20mm小電極與假想體(地平面)在不同間距下的電容估算。

優(yōu)化電極尺寸

在進(jìn)行電極設(shè)計(jì)(大小和位置)時(shí)不能將參考地置之度外。這是因?yàn)?，在電極和參考地之間會(huì)形成靜電場(chǎng)，其方式與平行板電容器形成的靜電場(chǎng)一樣。從下圖3可見(jiàn)，平行板電容器模型是如何被轉(zhuǎn)換成一個(gè)裝置的。

圖3：(a)是平行板電容器模型可被轉(zhuǎn)換成設(shè)備測(cè)試的例子;(b) 組合視圖，強(qiáng)調(diào)這兩個(gè)效果一起決定觸發(fā)距離。

如果觸發(fā)平面(假想體、手等)比電極大，則用于計(jì)算觸發(fā)距離的一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)公式是：

觸發(fā)距離1≈電極長(zhǎng)度(1mm寬度內(nèi))

或者

觸發(fā)距離2≈電極與設(shè)備地之間的距離

通常，在這兩個(gè)距離中，以最短的那個(gè)為主。

大多數(shù)情況，增大電極寬度會(huì)對(duì)觸發(fā)距離產(chǎn)生正面影響。當(dāng)寬度朝設(shè)備地展延，需用上式的觸發(fā)距離2計(jì)算時(shí)，則對(duì)更大電極會(huì)產(chǎn)生效果的預(yù)期將不再被滿足。該效應(yīng)如圖4所示。

圖4：感應(yīng)盤(pán)尺寸和感應(yīng)盤(pán)到設(shè)備地距離的影響

優(yōu)化設(shè)備地以實(shí)現(xiàn)最佳的傳感器性能

設(shè)備地和參考地應(yīng)該被認(rèn)定是電極排布和設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分。

參考地只能被視為是一種可潛在改進(jìn)對(duì)用戶/假想體參考(增加容抗)的元素。此效應(yīng)提高了靈敏度，且可能增加觸發(fā)距離。當(dāng)準(zhǔn)備進(jìn)行SAR驗(yàn)證時(shí)，建議在更孤立(如圖1所示，其中C2很小)的環(huán)境下測(cè)試設(shè)備。

在隔絕情況下，設(shè)備地會(huì)發(fā)揮重要作用。在這種情況，設(shè)備地到電極的距離對(duì)可能的最大檢測(cè)距離有直接影響。在電池位置、印刷電路板(PCB)地和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固定不變的情況下，電極到這些元件的距離應(yīng)盡量遠(yuǎn)，如圖4所示。當(dāng)可自由改變?cè)O(shè)備地參考區(qū)域時(shí)，可調(diào)整(移動(dòng)或減小)該參考區(qū)域以實(shí)現(xiàn)特定的觸發(fā)距離。

傳感器集成電路(IC)的位置

基于下列條件，選擇在何處放置傳感器集成電路。

在下列條件下，將傳感器芯片靠近電極(參照?qǐng)D5)：

*電極必須很小(例如：20mm×1mm)(有時(shí)需要多個(gè)電極來(lái)圍繞一個(gè)射頻發(fā)射器件)

*檢測(cè)距離必須遠(yuǎn)(檢測(cè)距離≈電極邊沿長(zhǎng)度)

*通過(guò)金屬孔感測(cè)

*在擬安放電極的位置附件，有大型金屬件

在下列情況下，將傳感器芯片遠(yuǎn)離電極，并在兩者間覆接以屏蔽電纜(見(jiàn)圖5)：

*檢測(cè)距離可能較短(檢測(cè)距離0.5×電極邊沿長(zhǎng)度)

*與所需檢測(cè)距離相比，電極尺寸可能較大

*電極附近無(wú)大型金屬結(jié)構(gòu)件

*傳感器IC可以補(bǔ)償由屏蔽電纜引入的電容性負(fù)載

圖5：不同傳感器IC布局策略描述。

電容式傳感器在測(cè)量接近信號(hào)電平時(shí)，會(huì)受到溫度變化的影響。一般的建議是將傳感器IC安放在隔絕板上，以保護(hù)集成電路和敏感線路不受快速溫度變化的影響。

電極位置

電極位置是個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素。電極放置區(qū)域通常預(yù)先由射頻(RF)天線的布局策略決定。在此區(qū)域內(nèi)安放傳感器電極對(duì)有效的非迭代設(shè)計(jì)很重要。設(shè)備通常具有纖薄外形，后蓋、前屏。

該設(shè)備通過(guò)了所有角度的最小觸發(fā)距離的SAR測(cè)試。薄邊(如圖6)通常可作為評(píng)判最小觸發(fā)距離的參照。雖然進(jìn)行了補(bǔ)償，電極(電極對(duì)地耦合)的電容性負(fù)載會(huì)減小觸發(fā)距離，特別是對(duì)遠(yuǎn)距(>20mm)接近觸發(fā)距離來(lái)說(shuō)?；诖耍詈檬窃陔姌O尺寸(在電極盡可能靠近設(shè)備邊緣條件下)和對(duì)SAR測(cè)試來(lái)說(shuō)其它要素間找到最佳的折中辦法。圖7顯示了以不同角度(A、B和C)進(jìn)行SAR測(cè)試的情況，突顯了電極位置的重要性。

圖6：(a)側(cè)剖視圖描述;(b)電極焦點(diǎn)區(qū)域描述。

圖7：相對(duì)于假想體測(cè)試角的電極焦點(diǎn)區(qū)域。

電極應(yīng)圍繞射頻天線以提供一個(gè)可實(shí)際保護(hù)用戶的方案。另外，還在部分天線覆蓋以假想體、部分天線裸露的情況下，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試，如圖8所示。

圖8 ：SAR測(cè)試表明需要用電極圍繞天線

故障排除

增加觸發(fā)距離：一般的建議是基于最佳觸發(fā)距離設(shè)計(jì)電極方案，同時(shí)至少留出一個(gè)更敏感的閾值選項(xiàng)?？赏ㄟ^(guò)如下三種方法增加觸發(fā)距離：

在進(jìn)行SAR測(cè)試的任一側(cè)加大電極尺寸。在SAR測(cè)試時(shí)，在與假想體發(fā)生更大耦合的同時(shí)并不會(huì)顯著增加與設(shè)備地的耦合，所以這種影響成為延長(zhǎng)觸發(fā)距離的有效方法。

增加與設(shè)備外圍部分的耦合。用粘合劑安固電極會(huì)消除空氣間隙，并通過(guò)將其向具有較少約束性介電特性的介質(zhì)靠攏來(lái)優(yōu)化電容場(chǎng)的影響。建議采用定距件(spacer element)以防止機(jī)械不穩(wěn)定性。

提高檢測(cè)速度，使其更接近典型的人類(lèi)行為。根據(jù)方案中使用的算法，此舉可能會(huì)加大觸發(fā)距離(具體表述：毫米/秒)。

射頻干擾：在進(jìn)行涉及RF和電容式感應(yīng)頻率的綜合測(cè)試時(shí)，可通過(guò)如下方法盡可能降低干擾：

進(jìn)行干擾測(cè)試時(shí)，將用于測(cè)試的裝置盡可能靠近待測(cè)的最終產(chǎn)品。記?。核蓄~外的連線都會(huì)作為射頻能量的接收器。雖然一個(gè)串聯(lián)電阻通?？墒闺娙菔絺鞲衅鲗?duì)射頻干擾具有一定免疫力，但當(dāng)采用長(zhǎng)的非屏蔽導(dǎo)線時(shí)，電源線可以會(huì)受到射頻干擾。

結(jié)論

signal-to-noise ratio can be achieved.遵照此處提到的指導(dǎo)原則，可以用最短的設(shè)計(jì)周期、無(wú)需使用過(guò)于敏感的接近閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)電容式接近傳感器。通過(guò)為特定設(shè)備優(yōu)化電極設(shè)計(jì)、加之對(duì)參考地的考慮，可獲得具有良好信噪比的定向接近場(chǎng)。