消費(fèi)應(yīng)用中的電容傳感設(shè)計(jì)實(shí)用技巧

　　電容觸摸技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，已進(jìn)軍各類應(yīng)用。觸摸技術(shù)始于初期手機(jī)的電阻式觸摸屏，但由于電阻式觸控傳感器的響應(yīng)速度較慢，靈敏度成為新設(shè)計(jì)的主要考慮因素，隨之而來(lái)便出現(xiàn)了電容式觸摸技術(shù)，而觸控界面也隨之在市場(chǎng)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(dòng)作發(fā)生或者其他任何變化發(fā)生，就會(huì)改變?cè)撐矬w中某個(gè)區(qū)域的介電特性，從而改變所檢測(cè)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?？?。通過(guò)增強(qiáng)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(yīng)各類參數(shù)，其中包括電場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)、化學(xué)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(cè)電路和激勵(lì)電壓的幫助下，該介質(zhì)能夠?qū)㈦娙葑兓D(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)變化的電壓。以下是計(jì)算電容變化的典型公式：

　　C=(∈_0 ∈_r S)/d Farad.Meter。其中：

　　∈_0是絕對(duì)電容率

　　∈_r 是相對(duì)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(cè)量

　　與此類似，我們可以依據(jù)表面面積特性計(jì)算出其它對(duì)稱表面。對(duì)于非對(duì)稱電極，場(chǎng)線可以給出等勢(shì)面和通量線的近似值。因此，可以通過(guò)像素點(diǎn)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(yīng)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(jī)械按鍵和開(kāi)關(guān)的界面組件。與機(jī)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?cè)陟`敏度、功耗要求和誤觸方面可能存在問(wèn)題。

　　一個(gè)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(gè)光滑表面，用戶通過(guò)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(dǎo)電材料。下一個(gè)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(yīng)用的FR4基板以及面向高成本應(yīng)用的低損耗RT/duroid高頻線路板材料基板。另一個(gè)重要組件是傳感器感應(yīng)點(diǎn)，要求非常靈敏，其設(shè)計(jì)和在PCB的布置有一定的標(biāo)準(zhǔn)。最后也是最重要的組件就是主控制器，它是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)觸摸界面所需的所有信號(hào)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(cè)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(cè)量的工作原理

　　在自電容傳感器中，測(cè)量的是對(duì)地電容;而在互電容傳感器中，一個(gè)Tx電極和一個(gè) Rx電極均被用于檢測(cè)觸摸和非觸摸操作。但觸摸發(fā)生時(shí)，信號(hào)從Tx電極流向Rx電極。該信號(hào)與互電容直接成正比。因此，當(dāng)觸摸發(fā)生時(shí)，互電容降低，而自電容升高。自電容一般用于單點(diǎn)觸摸應(yīng)用(即單手指界面)，而多點(diǎn)觸摸應(yīng)用(即可以使用多個(gè)手指，如二指手勢(shì))需要互電容。

　　設(shè)計(jì)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(jì)人員需要維持穩(wěn)定的性能，同時(shí)滿足預(yù)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(yīng)用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵特性。我們?cè)诒竟?jié)將探討工程師需要解決哪些問(wèn)題才能有效實(shí)現(xiàn)消費(fèi)應(yīng)用中的電容傳感設(shè)計(jì)。

　　控制器的選擇

　　控制器選擇是設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的一環(huán)。市場(chǎng)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(yīng)在芯片中內(nèi)置一個(gè)良好的模擬電路，以實(shí)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(hào)調(diào)節(jié)功能，因?yàn)樘幚黼娙菪盘?hào)(尤其是在那些多點(diǎn)觸摸應(yīng)用中)需要進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)節(jié)。增加用于信號(hào)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器、緩存器或轉(zhuǎn)換器等額外硬件通常不是什么好主意，因?yàn)檫@些組件可能會(huì)增加路徑噪聲和損耗以及物料(BOM)成本。設(shè)計(jì)用于傳輸模擬數(shù)據(jù)的走線也需要特殊技能，因?yàn)樽呔€尺寸決定了信號(hào)強(qiáng)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(cè)感應(yīng)功能以及運(yùn)算放大器、互阻抗放大器(TIA)等信號(hào)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(duì)接。

　　電容傳感技術(shù)對(duì)水和濕氣也很敏感。這有可能影響洗衣機(jī)、冰箱等應(yīng)具備防潮能力的應(yīng)用的性能和可靠性。水也有電容率，因此會(huì)增加電容值，影響電容觸摸效果。因此，電容感應(yīng)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(fèi)級(jí)系統(tǒng)都可以采用以下方式降低成本：使用一個(gè)性能較低的處理器，將模擬傳感器數(shù)據(jù)和電容測(cè)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(yīng)用傳輸數(shù)據(jù)。其它應(yīng)用可能需要使用WiFi、ZigBee或 WiMax等其它無(wú)線通信技術(shù)。一個(gè)支持無(wú)線功能的控制器可極大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

　　調(diào)諧方法和固件功能

　　對(duì)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(gè)重要的設(shè)計(jì)步驟。電容感應(yīng)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(yīng)能在潮濕、低溫、高溫和風(fēng)雪環(huán)境中工作。這可以通過(guò)調(diào)節(jié)固件中的感應(yīng)sensor參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)試可以是手動(dòng)或自動(dòng)(即由微處理器支持)。自動(dòng)調(diào)試技術(shù)避免了耗時(shí)、耗力的逐步調(diào)試傳感器的過(guò)程。手動(dòng)調(diào)試對(duì)于構(gòu)建數(shù)量較少的應(yīng)用較為方便，因?yàn)樗恍枰罅寇浖?，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(yīng)時(shí)間等等。一個(gè)靈活的控制器應(yīng)支持自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)諧功能，從而便于量產(chǎn)和操作。

　　實(shí)現(xiàn)智能的信號(hào)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(fù)雜性，控制器必須得到一個(gè)綜合設(shè)計(jì)環(huán)境的支持。例如，PSoC Creator是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可讓設(shè)計(jì)人在不需要編寫(xiě)復(fù)雜代碼的情況下，設(shè)計(jì)出具備復(fù)雜信號(hào)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(yīng)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(shí)驗(yàn)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?yàn)楣潭▎?wèn)題而導(dǎo)致的覆蓋層識(shí)別等問(wèn)題在消費(fèi)應(yīng)用中最常見(jiàn)。

　　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(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和精度。吸膠、磁力校準(zhǔn)和機(jī)械固定是消費(fèi)電子行業(yè)所采用的避免此類問(wèn)題的一些標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。覆蓋層厚度是另一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)楹穸扰c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(fèi)應(yīng)用中，量產(chǎn)一款基于覆蓋層的產(chǎn)品是一項(xiàng)設(shè)計(jì)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(yīng)整體均勻。這可以減低噪聲，因?yàn)樵肼暿蔷鶆蚍植嫉?。但這同時(shí)增加了寄生電容Cp，從而影響基于電容傳感技術(shù)的應(yīng)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?yàn)楣こ處煴仨毟又?jǐn)慎，不引入其它寄生電容。這實(shí)際上降低了設(shè)計(jì)人員對(duì)布線設(shè)計(jì)的容忍度。

　　因此，應(yīng)為電容應(yīng)用選擇一個(gè)hash接地層，而不是均勻的地平面。傳感器感應(yīng)點(diǎn)沒(méi)有任何其它電信號(hào)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(gè)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?yàn)樗o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(yīng)的和。因此，調(diào)試是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

　　最后，可通過(guò)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(yīng)。圖6是響應(yīng)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(jì)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)、外殼和光滑的覆蓋層在增加美觀的同時(shí)也增加了BOM成本，采用RT/Duroid基板、玻璃覆蓋層和一個(gè)時(shí)尚的外殼肯定會(huì)打造出一款同類最佳產(chǎn)品，但其高昂的成本可能會(huì)令其在市場(chǎng)上遭遇失敗。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文探討了面向消費(fèi)應(yīng)用的電容傳感技術(shù)的工作原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用，以及傳感器調(diào)試、組件選擇、布置標(biāo)準(zhǔn)等設(shè)計(jì)中遇到的各種問(wèn)題，并給出了可能的解決方案。使用一個(gè)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(fù)雜性。

　　Nishant Mittal, Ronak Desai 賽普拉斯半導(dǎo)體