電容式感應工作原理及設計分析

電容式感應的工作原理

那么，電容式感應的工作原埋是什么呢?下面的示意圖顯示了1個(gè)電容式感應按鈕的橫截面。如圖所示，在外覆層材料之下，存在導電的銅塊區域和導電的傳感器。在2個(gè)導電元件相互之間靠得很近時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電容值，本圖中標為Cp，這個(gè)電容值是由于傳感器墊板與接地板之間的耦合現象而形成的。Cp屬于寄生電容，典型數量級任10pF至300pF。傳感器與接地板靠近時(shí)也會(huì )形成一個(gè)邊緣電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)能夠穿透外覆層?；旧?，人體組織也屬于導電體。將一根手指放存邊緣電場(chǎng)附近時(shí)，就會(huì )增加這個(gè)電容系統的導電表面面積。

但是，這個(gè)在圖中標為CF的附加手指電容值的數量級在0.1pF至10pF。雖然一根于指的存在會(huì )導致電容發(fā)生變化，但與寄生電容相比，該變化的幅度是相當小的。而傳感器的測得電容值稱(chēng)為CX。在沒(méi)有手指存在的情況下，CX基本上等于CP。而在于指存在時(shí)，CX則為CP和CF的和。

圖1 手指電容值

電容式感應的設計方案

在我們了解了電容式感應的工作原理后，如何開(kāi)始設計某一特定產(chǎn)品的電容式感應界面呢?我們重點(diǎn)要考慮到設計方案的需要。這個(gè)產(chǎn)品將用在什么地方?使用環(huán)境嚴苛嗎?這項 設計中最重要的因素是電池的使用時(shí)間還是產(chǎn)品的耐久性?不同的因素對設計方案的影響也各不相同。

根據正在設計的產(chǎn)品類(lèi)型，功耗可能是關(guān)鍵因素，也可能不是關(guān)鍵因素。例如，在由電池供電的手持設備上，功耗具有極為重要的意義。而一種對
整體平均功耗即電池使用時(shí)間進(jìn)行控制的方式是設立3個(gè)不同的工作區域。 一個(gè)工作區域是快速響應區，這個(gè)區域內的每個(gè)傳感器每200微秒掃描一次。系統會(huì )在按鈕和滑動(dòng)觸摸處于連續操作狀態(tài)下進(jìn)入這一區域。在操作很少或無(wú)操作時(shí)，系統可以進(jìn)入一個(gè)慢速響應區，將掃描頻率減少到大約每100毫秒1次。最后，如果在很長(cháng)時(shí)間內沒(méi)有操作，則系統可以進(jìn)入深度休眠模式，從而節省電力。通過(guò)實(shí)現節能、慢速響應模式，在便攜手持設備每100秒掃描3個(gè)按鈕的情況下，系統的耗電量可以低于50μA的平均電流。

在當今的電子產(chǎn)品領(lǐng)域，噪聲也成為另-項重要的考慮因素。各類(lèi)感應噪聲，諸如來(lái)自電力線(xiàn)路的噪聲，以及來(lái)自移動(dòng)手機或日光燈的輻射噪聲，無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在，所以必須加以考慮。為了進(jìn)行有效防范，我們的目標是增加信噪比，并消除虛假觸摸響應。

在設計信噪比、耐久性、靜電放電抵抗力以及精確度時(shí)，所選擇的外覆層材料以及外覆層厚度具有很大的影響。而且，在考慮材料的類(lèi)型和厚度時(shí)，必須根據產(chǎn)品的需要，在許多方面采取折衷方式。隨著(zhù)外覆層材料厚度的增加，信號和噪聲兩方面均會(huì )減少。但是，外覆層材料越厚，則對于靜電放電的抵抗力就越強。人體的靜電電壓可以高達15 KV，而電容式感應系統的外覆層有助于避免集成電路在遭受此類(lèi)靜電放電時(shí)發(fā)生永久性損壞。另一種解決方法是，使用一層聚酰亞胺(Kapton)帶，這種材料在需要超強靜電放電保護的應用中能夠發(fā)揮良好的作用。當然，外覆層越厚，也就越不容易破裂或者遭到破壞。