電容傳感器與相關(guān)技術(shù)及其應用

從理論上說(shuō)，一根走線(xiàn)、間隔、另一根走線(xiàn)，這就是組成一個(gè)電容傳感器的全部所需，見(jiàn)圖1(a)所示。直接在這些走線(xiàn)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(或稱(chēng)感測)到電容值的變化見(jiàn)圖1(b)所示。此項技術(shù)已經(jīng)在業(yè)界的應用領(lǐng)域上使用多年，它可以用來(lái)量測液體位準、濕度、以及物質(zhì)成分。這一技術(shù)有很多優(yōu)勢：工業(yè)設計差異化、內部完全密封防水、界面壽命、允許接近探測及電容式觸摸屏應用。由于當今的家電更注重產(chǎn)品設計而非功能設計，可以預計電容感應將應用于更廣泛的家電控制領(lǐng)域。電冰箱、洗碗機、灶具等等，都有獨特的應用環(huán)境，向電容感應的應用提出了挑戰。于是電容感應已經(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、電容檢測的運作特征與解決方案

1.1運作特征

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(xiàn)。在接收器與發(fā)射器走線(xiàn)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)強度是利用內建的積分三角(sigma-dedta)電容數字轉換器來(lái)加以量測。電感傳感器只能探測金屬物質(zhì)，而電容傳感器卻可以探測與傳感器電極特性不同的導體和絕緣體。巧合的是，這種特性使人類(lèi)非常適合電場(chǎng)成像，因為人體大部分都是水，介電常數很大，人體還含有離子物質(zhì)，是良好的電導體，所以當人們的手進(jìn)入到邊緣電場(chǎng)內時(shí)(見(jiàn)圖1(b)所示)，電子環(huán)境將會(huì )改變，導致一部份的電場(chǎng)會(huì )被分流到地線(xiàn)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，不同于一般計算電場(chǎng)時(shí)所采用的能被轉換器檢測到的微微法拉大小。

1.2解決方案

當今市場(chǎng)己有專(zhuān)門(mén)針對人機接口應用領(lǐng)域而設計的電容感測用途芯片產(chǎn)品問(wèn)世。它提供了電容傳感器的觸發(fā)，能檢測到因使用者的接近所造成的電容變化，并提供數字輸出。

一般來(lái)說(shuō)，電容檢測的解決方案包含了3個(gè)部分(見(jiàn)圖3所示)：

*驅動(dòng)IC-提供了觸發(fā)功能、電容值數字轉換器、以及補償電路，以確保在所有環(huán)境中都能有正確的結果。

*傳感器-具有特定樣式走線(xiàn)的PCB，像是按鈕、卷動(dòng)軸、滾輪、或是某些組合等。其走線(xiàn)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。

*主微控制器上執行的軟件-用以執行串聯(lián)接口以及組件設定、還有中斷服務(wù)程序。對于像是卷動(dòng)棒與滾輪之類(lèi)的高分辨率傳感器而言，其主微控制器會(huì )執行一個(gè)軟件運算法，以達到高分辨率的輸出。按鈕則不需要軟件。

舉例來(lái)說(shuō)，AD7142以及AD7143分別可以對高達14個(gè)與8個(gè)電容傳感器予以觸發(fā)及回應。他們提供了電容傳感器的觸發(fā)，感測因使用者的接近所造成的電容變化，并提供數字輸出。

2、電容檢測在電子設備中人機接口中應用

電容檢測將在人機接口新領(lǐng)域上應用。機械式的按鈕。開(kāi)關(guān)、以及滾輪(jeg wheel)等裝置長(cháng)期以來(lái)一直被當成使用者與機器之間的接口。而電容傳感器比機械式傳感器具有更好的可靠度-關(guān)于此點(diǎn)有為數不少的理由。因為沒(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。