消费类应用中电容式传感的有效设计技术

自从推向市场以来,电容式触摸技术已经在广泛的应用中取得了巨大的进展。触摸技术始于第一系列手机中使用的电阻式触摸屏。由于电阻式触摸传感器的响应缓慢,灵敏度是一个主要的设计考虑因素。电阻式触摸传感技术之后采用电阻式技术,基于触摸的界面迅速传播到整个市场。

电容传感技术基于以下原理:每当观察到触摸或物体的表面环境发生任何其他变化时,它就改变了特定区域中物体的介电特性。这又改变了检测到的电容,其被感测为电压的变化。与使用电阻式触摸检测到的变化相比,电容的变化非常快。通过增强表面物体的介电性能,可以更快地改变变化率。

电容式传感器可以直接或间接地感测各种因素,包括电场,运动,化学特性或加速度,流体特性,压力等。传感器的表面充当电介质周围的电极,其在检测电路和激励电压的帮助下能够将电容的变化转换为变化的电压。Farad给出了计算电容变化的典型表达式。它是绝对介电常数,相对介电常数,s是表面积,d是板之间的距离。这里  

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类似地,可以根据表面区域特征计算其他对称表面。在不对称电极的情况下,场线可以给出等电位s的近似值

基于电容感应的触摸模块包括按钮,滑块,触控板,接近,触摸界面,旋转编码以及许多其他可用于替换嘈杂,笨重的机械按钮和开关的接口组件。这不仅缩小了系统板尺寸,而且与机械接口相比减少了功耗。例如,功率电容式触摸接口通常工作在1.8 V至5 V,甚至可以在0.9 V下工作,但在灵敏度,功率要求,误触发等方面可能会出现性能问题。

电容式感应子系统需要图2所示的元件。覆盖层是PCB(印刷电路板)组件上暴露给用户的器件的顶部接口。它是用户触摸以执行特定操作的光滑的精加工表面。覆盖物可以是玻璃,木材,丙烯酸,塑料或任何其他非导电材料。下一个组件是PCB。选择PCB的介电常数及其带来的损耗。选项包括用于低成本应用的FR4基板以及低损耗RT Duroid基板,适用于可承受额外成本的应用。下一个重要组件是传感器垫。这是一个敏感元件,其设计和放置在PCB上有一定的标准。

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图2:电容传感子系统的组件。

电容测量可以通过两种方式完成:互电容和自电容。图3显示了互电容和自电容的工作原理。

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图3:自电容和互电容的工作原理(参考源:http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an64846-getting-started-capsense)。

在基于自电容的电容传感器中,相对于地测量电容。利用互电容,Tx电极元件和Rx元件用于检测触摸和无触摸感测。当发生任何触摸时,信号从Tx电极传递到Rx元件。该信号与互电容成正比。当发生任何触摸时,互电容因此减小而自电容增加。自电容通常在单触式应用(即,一个手指接口)中有用,而多触摸应用(即,可以使用多个手指,诸如双指手势)需要实现互电容。

设计方法

虽然电容式感应在用户满意度方面提供了令人印象深刻的界面,但设计人员需要努力保持平稳的性能,同时满足预算约束。鲁棒性,可靠性,可重复性,准确性和灵敏度是工程师必须为基于电容式触摸的应用提供的一些关键功能。在本节中,我们将讨论工程师需要解决的各种要点,以便在消费者应用中有效地实现电容式感应。

控制器的选择

选择控制器是设计的一个重要方面。如今,市场上有许多控制器,每个控制器都有自己的特殊功能和特性。适用于电容式感应的控制器应在芯片内部具有良好的模拟电路,旨在提供高SNR(信噪比)以保持性能和精度。还建议控制器支持信号调理功能,因为处理电容信号,尤其是基于多点触控的应用,需要相当数量的信号调理。在驱动器,缓冲器或转换器中添加用于信号调节的额外硬件以及控制器通常不是一个好主意,因为这些组件会影响路径噪声和损耗,以及增加物料清单(BOM)成本。

PSoC(可编程片上系统)控制器在信号调理电路(如运算放大器和TIA(跨阻放大器))上集成了电容感应功能。这使得工程师可以直接将传感器与控制器连接,而无需额外的硬件。

电容感应对水和水分也非常敏感。这会影响预期能够抵抗潮湿的洗衣机和冰箱等应用的性能和可靠性。水具有其自身的介电常数,这增加了电容并阻碍了电容效应,因此控制器通过使传感器防水来支持耐水性是很重要的。

通过使用较低性能的处理器并传输模拟传感器数据和电容测量以进行离线处理,可以将许多消费者系统设计成更低的成本。如今,BLE(蓝牙低功耗)传输通常用于将数据传输到基于Android或iOS的应用程序。其他应用可能需要使用其他无线技术,如Wi-Fi,ZigBee或WiMax集成了无线功能支持的控制器可以大大简化设计。

调整技术和固件功能

调谐模拟传感器是使用电容感应的系统的重要设计阶段步骤。电容感应精度高度依赖于环境的介电常数和受触摸环境。设备需要设计成能够在潮湿,寒冷,炎热和多雪的环境中动态运行。通过调整固件中的传感器可以实现这一点。

调整可以是手动或自动(即由微控制器支持)。自动调谐技术避免了逐步调整传感器的耗时且经常繁琐的过程。手动调整对于少量构建的应用来说非常方便,因为它不需要大量的软件,尽管有许多因素需要跟踪,包括SNR,材料的介电常数,覆盖层的厚度,灵敏度和响应时间。灵活的控制器将支持手动和自动调整功能,使工程师能够促进大规模生产以及有限的构建。

执行智能信号处理算法也需要良好的固件功能。鉴于调整电容系统的复杂性,控制器由全面的设计环境支持非常重要。例如,PSoC Creator是一个集成开发环境,允许开发人员设计具有复杂信号处理功能应用的电容式感应模块,而无需编写复杂的代码。

选择覆盖和固定

叠加不仅决定了最终产品的美观性,而且还定义了其传感能力的灵敏度。图4显示了采用电容式传感技术的系统中使用的各种类型的覆层,如木材,丙烯酸树脂或玻璃。实验表明,所有这些覆盖都需要调整才能可靠地实现。在消费者应用中最常见的是由于固定问题导致的重叠识别等问题。

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图4:与电容式传感技术一起使用的覆盖层。

电容随基板和电极之间的气隙而变化。如果适当地完成覆盖层的固定,则变化的气隙会妨碍整个系统的性能和灵敏度。吸带,磁性对准和机械固定是消费行业中用于防止此类问题的一些标准技术。覆盖层的厚度也是一个重要参数,因为厚度与电容成正比,也与灵敏度成正比。从整体产品的角度来看,覆盖材料,其精加工和美观是重要的参数。为大规模生产生产基于覆盖的产品是消费者应用中的设计和制造挑战。

传感器元件的放置和接地技术

通常,PCB的接地平面应始终均匀。由于均匀的噪声分布,这导致地面噪声的降低。然而,这也增加了寄生电容(CP),其影响基于电容感测的应用。CP是与传感器迹线直接相关的主要因素。CP的增加增加了布局的难度,因为设计者必须更加谨慎并且不引入其他寄生效应。实际上,这限制了设计者对轨道追踪的容忍度。

因此,有必要为基于电容的应用选择散列图案接地平面而不是均匀的接地平面。传感器垫不应具有任何其他电气轨道或金属在其任何层中移动。图5展示了这一理论。

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图5:电容传感器孵化板的PCB结构。

电路板技术的选择也是影响CP的重要因素。在大多数产品中,已经观察到柔性材料优选用于将传感器与电路连接,因为其对系统的CP添加较低。总电容是人体触摸电容,PCB电容(对于FR4或基于Flex的PCB而言不同),PCB走线电容以及添加到系统的其他寄生效应的总和。因此,调谐成为设计周期中的必要阶段。

最后,通过向电容传感器提供适当的屏蔽(即接地平面),可以避免误触发电容传感器,EMI和EMC噪声以及其他不需要的影响。图6示出了响应于电容性刺激而发生的情况的横截面视图。

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图6:电容焊盘的横截面和布局技术。

BOM优化

BOM优化也是产品设计的重要标准。复杂的机械设计,外壳和光滑的覆盖层增加美感也会增加BOM成本。例如,使用RT Duroid基板,玻璃覆盖层和光滑的外壳肯定会产生最佳的工业产品。然而,设备成本的增加可能导致市场失败。

结论

针对消费者应用的电容传感技术在其工作原理,设计和应用方面进行了讨论。电容式触摸技术的分析考虑了其调整,元件选择,放置标准以及在设计周期中观察到的各种其他问题以及一些可能的解决方案。使用集成了电容式感应功能的控制器可以提高设备性能和可靠性,从而降低产品成本和复杂性。

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