電容傳感技術(shù)使智能家電更智能

作者/ Greg Kuchuris Molex印刷型電路解決方案市場(chǎng)經(jīng)理

摘要：本文介紹了電容傳感器技術(shù)在智能家電中的應用，以及基于 PEDOT 的電容技術(shù)方案及其應用。

　　在這個(gè)智能連接的時(shí)代，即使是家用電器也在積極地參與其中。電子解決方案和設計策略的范疇不斷拓展，協(xié)助制造廠(chǎng)商開(kāi)拓創(chuàng )新，推出各種精巧的智能家電。下一代電容技術(shù)可以帶來(lái)更高的自由度，以經(jīng)濟節省的方式來(lái)整合起各種增強功能，提高家用電器的功能性和娛樂(lè )性，滿(mǎn)足當下社會(huì )以技術(shù)為中心的家庭消費者的需求。

固態(tài)電容液位傳感技術(shù)

　　液位傳感對于一系列現代化的家用電器來(lái)說(shuō)是一種核心技術(shù)。浸沒(méi)式機械系統在傳統上一直服務(wù)于這一領(lǐng)域，用于制冰機、洗碗機、洗衣機、水過(guò)濾系統及飲料售賣(mài)機等。這類(lèi)系統中使用的傳感器、浮子和開(kāi)關(guān)都浸沒(méi)在液體當中，這會(huì )造成過(guò)度的磨損、腐蝕，甚至是交叉污染。傳統的機械流體傳感系統存在局限，使用標準的圓柱形或矩形的儲罐才能得到一致的測量結果。長(cháng)時(shí)間不斷地與流體接觸會(huì )使機械精度降低，并且縮短傳感器的壽命。

　　對于尋求更好的設計策略的家用電器制造商來(lái)說(shuō)，現在可以使用電容式液位傳感器來(lái)應對這些挑戰。電容式傳感器可以保證精準的液位測量結果，同時(shí)提高精度，并降低設置成本，采用了定制的端對端解決方案，校準軟件安裝簡(jiǎn)便。這一技術(shù)提高了設計的靈活性，與傳統的機械式系統相比，電器的操作也更加耐久、效率更高。電容式液位傳感器采用了與智能手機屏幕相同的基本概念，對手指的觸摸做出響應的傳感器，可以方便地安裝在容器的外部，通過(guò)幾乎任何非金屬材料都可對流體或顆粒材料進(jìn)行測量?？梢圆捎枚ㄖ频脑O計，并且針對從自動(dòng)飲料出售機到洗碗機在內的一系列家用電器應用進(jìn)行優(yōu)化。電容式液位傳感器采用了固態(tài)設計，不含任何運動(dòng)的部件，無(wú)需浸沒(méi)在儲罐內，因此，產(chǎn)品壽命更長(cháng)，而測量結果也更加精確。

　　傳統的印刷電路板可以用于安裝在平面安裝儲罐上的電容式液位傳感器，而超薄的聚酯或聚酰亞胺柔性電路則更適用于罐體表面彎曲或者空間受限的應用。采用柔性電路后，設計人員可以選擇使用非傳統形狀的儲罐來(lái)優(yōu)化可用空間。電容式液位解決方案一般包含優(yōu)化的嵌入式軟件，在配置后可以自動(dòng)校準，方便安裝，或者采用手動(dòng)校準來(lái)達到高精度?？梢詫⒁慌_獨立的電容式液位傳感器作為點(diǎn)傳感器來(lái)提示在液罐中的給定液位位置是否存在流體?；蛘?，在高低液位處同時(shí)使用兩臺傳感器可以觸發(fā)補充液位，在達到所需的液位后再關(guān)閉液流，從而對儲液器中的流體進(jìn)行調節。

　　電容式液位傳感器的輸出接口可包含 USB、I2C 或離散信號，具體則與應用有關(guān)。在結合了微處理器使用后，傳感器可以無(wú)線(xiàn)方式將信號數據發(fā)送到控制單元。隨著(zhù)越來(lái)越多的家用電器與家用系統都在通過(guò)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 連接到用戶(hù)的設備，從而簡(jiǎn)化維護功能，電容式液位傳感器提供了一種使能的技術(shù)，可以提醒更換過(guò)濾器或添加液體，并且增強了為家務(wù)安排時(shí)間之類(lèi)的功能，還可以直接連接到制造商處，詢(xún)問(wèn)有關(guān)維護的問(wèn)題并且進(jìn)行軟件更新。

高效的電容式用戶(hù)界面

　　高品質(zhì)的功能與設計可產(chǎn)生良好的第一印象。在家電設計中，電容式觸摸屏現在的發(fā)展速度已經(jīng)超過(guò)了配有雜亂的按鈕和開(kāi)關(guān)的機械界面以及電阻式觸摸功能。這是由于電容式技術(shù)在整體上具有更高的可靠性，提供更加直觀(guān)的用戶(hù)界面。從品牌塑造的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，許多制造商現在正在轉向電容式觸摸屏，因為觸摸屏的設計更加具有吸引力、博人眼球，為消費者提供一種“貨真價(jià)實(shí)”的感覺(jué)。定制的電容式觸摸屏可以整合并結合多種開(kāi)關(guān)形式與布局，包括離散開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)開(kāi)關(guān)、滾輪等，還可以結合起觸摸式及非觸摸式的產(chǎn)品。

　　環(huán)境因素對于設計、材料的選擇以及制作來(lái)說(shuō)也是重要的考慮事項。盡管大多數家庭中的環(huán)境都相對穩定，電器往往會(huì )受到每天溫濕度變化的影響，此外還有頻繁的使用，以及消費者不經(jīng)意的錯誤使用，都會(huì )造成影響。選用印刷電路板、聚酰亞胺，還是聚酯基板將取決于具體應用。其中每一種選擇都將帶來(lái)獨一無(wú)二的設計上的挑戰、制造成本，以及在電容接口上的操作限制。

　　基于電容式觸摸的應用正在日益流行起來(lái)，以導電銦錫氧化物 (ITO) 為基礎構建的技術(shù)具有其固有的弱點(diǎn)(易碎、不易彎曲，并且形成圖案的成本較高)，這樣就促使著(zhù)對替代材料的尋找，這類(lèi)替代材料應具有較高的透光率、相似的電阻率且便于加工，而總應用成本卻要低得多。在這些替代材料中，導電聚合物正在引起越來(lái)越多的關(guān)注。PEDOT 是 Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) 這一化學(xué)名稱(chēng)的首字母縮略詞，作為一種極具潛力的材料，具有絕佳的電化學(xué)性質(zhì)、熱特性以及解決方案的加工特性，是電容式開(kāi)關(guān)設計的理想選擇。這種高分子混合物無(wú)色且溶于水，一般作為水中懸浮的凝膠顆粒的分散劑使用。在基板表面上絲網(wǎng)印刷一層這種分散劑，然后再通過(guò)加熱干燥其中的水分，即可形成電導開(kāi)關(guān)。PEDOT 分散劑可以作為涂層應用在一系列成型基板或柔性基板上，包括 PET、PC、PMMA、玻璃或者其他材料。

　　PEDOT 混合物具有良好的粘附力，以極高的化學(xué)穩定性、光透明性以及導電率而見(jiàn)長(cháng)。采用這種化合物開(kāi)發(fā)出了特別衍生的配方，可以滿(mǎn)足背光電容式按鍵、滑塊和滾輪輸入之類(lèi)光學(xué)應用高度嚴格的要求。該技術(shù)已部署到各類(lèi)穩健的汽車(chē)應用當中，在塑料擋板后部使用。PEDOT 可用作背光觸摸開(kāi)關(guān)的導電墨水，以更低的成本實(shí)現低外形而又易用的接口。PEDOT 電路可以做到透明，具有極佳的柔性(易于彎曲)。不需要焊接工藝(因此可降低應用成本)，并且具有柔性電路特有的低外形。多功能的 PEDOT 應用還可為精密的觸控面板提供定型的導電結構。

　　相對于傳統的機械式和印刷電路板式電容開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，基于 PEDOT 的電容技術(shù)在家用電器和其他消費品應用中具有更多的優(yōu)勢?；?PEDOT、完全合格的電容式解決方案與標準的 ITO 基板相比可節省可觀(guān)的成本。對于背光電容式觸摸按鍵來(lái)說(shuō)，將易用的控制功能和圖標整合到基于 PEDOT 開(kāi)關(guān)的可能性幾乎是無(wú)限的，這樣就更有助于設計出更加智能、經(jīng)濟且美觀(guān)的產(chǎn)品。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第25頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。