電容傳感器讓便攜產(chǎn)品“一觸即發(fā)”

　　電容傳感器滾輪在iPod等產(chǎn)品中獲得的成功，正在促使其他消費電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商考慮使用電容傳感器來(lái)改善產(chǎn)品的用戶(hù)界面，并使產(chǎn)品看起來(lái)更加美觀(guān)。事實(shí)上，電容觸摸傳感器接口的應用并不僅限于MP3播放器，而是可以用于目前采用傳統機械開(kāi)關(guān)的任何產(chǎn)品之中，如新款手機的菜單控制按鈕。利用可靠性高、引人注目并具有成本效益的電容觸摸傳感器，可以輕松地改變這些高級功能菜單控制開(kāi)關(guān)的式樣。

　　電容觸摸傳感器接口通常由一個(gè)電容傳感器、一個(gè)電容數字轉換器（CDC）和一個(gè)主處理器組成（圖1）。傳感器利用標準兩層或四層PCB上的走線(xiàn)（trace）或柔性電路制造，因此不需要任何外部元件或材料。

　　圖1. 典型電容觸摸傳感器接口

　　可靠的傳感器必須不受外界環(huán)境變化的影響，能夠在任何工作條件下保持精確的靈敏度水平。溫度或濕度的變化會(huì )導致PCB材料的特性發(fā)生變化，因此，印刷電路電容傳感器的輸出電平將發(fā)生漂移。例如，當用戶(hù)從開(kāi)啟空調的汽車(chē)到一個(gè)濕熱環(huán)境時(shí)，就可能出現上述情況。為了避免發(fā)生斷續接觸錯誤，CDC必須包括實(shí)時(shí)的漂移補償功能（圖2）。

　　隨著(zhù)環(huán)境條件的變化（例如，溫度或濕度上升），傳感器的環(huán)境參數（在用戶(hù)沒(méi)有與傳感器接觸期間，由CDC進(jìn)行測量）會(huì )發(fā)生漂移。為了進(jìn)行補償，需要動(dòng)態(tài)改變高端和低端閾值電平，以確定有效的傳感器接觸。位置2、3、5、6 處的參考電平進(jìn)行重新調整，以保持最佳的閾值參考電平，從而自動(dòng)跟蹤和補償漂移誤差。

　　圖2. 兩個(gè)傳感器在環(huán)境條件改變時(shí)的特性，漂移補償功能已使能

　　PCB還可能受到寄生電容的影響，這種電容最大可達20 pF，它會(huì )在電容觸摸傳感器視為受到按壓時(shí)，使閾值發(fā)生偏移，從而改變其靈敏度。為了對寄生電容進(jìn)行補償，可以采用對DAC編程的方法，以抵消CDC的輸入。對于各PCB來(lái)說(shuō)，這種寄生電容是一致的，因此可以在制造PCB的時(shí)候進(jìn)行簡(jiǎn)單的調整，這樣就不需要外部RC調諧元件，從而使材料、裝配和測試相關(guān)的成本最低。單獨調整每個(gè)傳感器的偏移，使設計者可以充分利用轉換器的分辨率（圖3）。

　　圖3. 模擬前端，其中DAC幫助消除寄生電容的影響

　　傳統的機械開(kāi)關(guān)具有用戶(hù)熟悉的靈敏度和觸覺(jué)反饋，對于電容傳感器來(lái)說(shuō)，這些參數也必須加以考慮和優(yōu)化。不同的傳感器可能需要獨特的靈敏度，這取決于開(kāi)關(guān)功能或開(kāi)關(guān)在產(chǎn)品中的物理位置。而且，一套靈敏度設置不可能適合所有的用戶(hù)，因此應該允許用戶(hù)設置不同的靈敏度水平，若能通過(guò)靈敏度控制菜單進(jìn)行選擇將是最理想的。例如，AD7142 支持這些靈敏性要求，允許一個(gè)單獨的16位靈敏度控制寄存器為每個(gè)傳感器編程。這些寄存器也可以嵌入到主機固件中，并在菜單顯示中提供，允許用戶(hù)選擇不同的靈敏度水平，以滿(mǎn)足其特殊需求。

　　在用戶(hù)沒(méi)有與傳感器接觸期間，如果對每個(gè)傳感器輸入取樣，則會(huì )白白浪費電池電量。為使電池效率最大化，CDC應能夠檢測到用戶(hù)停止觸碰傳感器，并自動(dòng)切換到低功耗模式。當傳感器被再度觸碰時(shí)，IC將自動(dòng)重新進(jìn)入正常工作模式。

　　為了節省更多的功率，還應該包括一個(gè)完全關(guān)斷模式。這種情況下，只要禁用傳感器，就會(huì )關(guān)斷整個(gè)IC。在便攜產(chǎn)品中，禁用傳感器開(kāi)關(guān)通常是通過(guò)設置一個(gè)機械開(kāi)關(guān)或從控制菜單中選擇阻塞模式來(lái)完成的。

　　利用電容傳感器取代傳統的機械開(kāi)關(guān)還有一個(gè)好處，就是制造與裝配工藝更加簡(jiǎn)單。傳統的機械開(kāi)關(guān)需要手工把每個(gè)開(kāi)關(guān)插入到塑料殼體上的專(zhuān)用孔洞中，而一個(gè)包含所有這些開(kāi)關(guān)的單一電容傳感器板可以一步到位，放置在這個(gè)塑料殼體下面。含有一個(gè)定位槽口的傳感器板安裝孔和一些膠水就足以完成傳感器板的安裝與位置校準。

　　主處理器板發(fā)射的電磁噪聲可能會(huì )耦合進(jìn)入電容傳感器和傳感器走線(xiàn)中，導致不可預知的傳感器動(dòng)作，使性能下降，但通過(guò)簡(jiǎn)單的方法也可幫助將電磁干擾（EMI）對傳感器的影響降至最低。首先，CDC應安裝在傳感器板上，這會(huì )使傳感器走線(xiàn)長(cháng)度最短，從而降低EMI 被耦合到走線(xiàn)中的機會(huì )。其次，利用一個(gè)具有結實(shí)接地層的四層傳感器板，可以為傳感器提供額外的EMI屏蔽。如果這兩個(gè)方法不能有效地將EMI噪聲與傳感器隔離，還可以把一個(gè)接地金屬屏蔽體放置在傳感器板腔的上方（圖4）。

　　圖4. 接地金屬屏蔽體可提高EMI抑制性能

　　電容傳感器電場(chǎng)也會(huì )耦合到產(chǎn)品的金屬殼或導電性金屬涂層等導電表面，導致不可預知的傳感器動(dòng)作，這樣就造成機械限制，要求電容傳感器的邊緣與金屬表面的邊緣保持一定的距離。而且，電容傳感器的靈敏度也與傳感器正上方的塑料厚度有關(guān)。如果塑料過(guò)厚，通量電力線(xiàn)將不能有效地穿過(guò)塑料，使傳感器性能變得不可靠。通常，外殼與傳感器之間的距離應該大于1.0mm，塑料厚度應該小于4.0mm，使靈敏度保持在適當的范圍內。