电容传感器与相关技术及其应用

从理论上说，一根走线、间隔、另一根走线，这就是组成一个电容传感器的全部所需，见图1(a)所示。直接在这些走线上覆盖一层绝缘透明塑料膜即可使其成为电路板的一部分。当手指或某物体或人接近或者碰触到传感器时，电容传感器会检测(或称感测)到电容值的变化见图1(b)所示。此项技术已经在业界的应用领域上使用多年，它可以用来量测液体位准、湿度、以及物质成分。这一技术有很多优势：工业设计差异化、内部完全密封防水、界面寿命、允许接近探测及电容式触摸屏应用。由于当今的家电更注重产品设计而非功能设计，可以预计电容感应将应用于更广泛的家电控制领域。电冰箱、洗碗机、灶具等等，都有独特的应用环境，向电容感应的应用提出了挑战。于是电容感应已经获得了广泛的工业支持，正在迅速成为业界的焦点。它己成为廉价而又耐用的传感技术。

1、电容检测的运作特征与解决方案

1.1运作特征

       实际的基本电容的传感器包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx，其分别都具有在印刷电路板(PCB)层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场，见图2所示。大部分的电场都会集中在传感器PCB的两个板层之间。然而，会有一个边缘(fringe)电场由发射器产生并延伸至PCB外面，然后再回返至接收器上而终止。接收器上的电场强度是利用内建的积分三角(sigma-dedta)电容数字转换器来加以量测。电感传感器只能探测金属物质，而电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和绝缘体。巧合的是，这种特性使人类非常适合电场成像，因为人体大部分都是水，介电常数很大，人体还含有离子物质，是良好的电导体，所以当人们的手进入到边缘电场内时(见图1(b)所示)，电子环境将会改变，导致一部份的电场会被分流到地线而非回返至接收器终止。此变化所造成的电容降低范围为毫微微法拉为单位的大小，不同于一般计算电场时所采用的能被转换器检测到的微微法拉大小。

1.2解决方案

        当今市场己有专门针对人机接口应用领域而设计的电容感测用途芯片产品问世。它提供了电容传感器的触发，能检测到因使用者的接近所造成的电容变化，并提供数字输出。

一般来说，电容检测的解决方案包含了3个部分(见图3所示)：

*驱动IC-提供了触发功能、电容值数字转换器、以及补偿电路，以确保在所有环境中都能有正确的结果。

*传感器-具有特定样式走线的PCB，像是按钮、卷动轴、滚轮、或是某些组合等。其走线材质可以是铜、碳，或是银，而PCB材质则可使用FR4、flex、PET、或是ITO。

*主微控制器上执行的软件-用以执行串联接口以及组件设定、还有中断服务程序。对于像是卷动棒与滚轮之类的高分辨率传感器而言，其主微控制器会执行一个软件运算法，以达到高分辨率的输出。按钮则不需要软件。

      举例来说，AD7142以及AD7143分别可以对高达14个与8个电容传感器予以触发及回应。他们提供了电容传感器的触发，感测因使用者的接近所造成的电容变化，并提供数字输出。

2、电容检测在电子设备中人机接口中应用

       电容检测将在人机接口新领域上应用。机械式的按钮。开关、以及滚轮(jeg wheel)等装置长期以来一直被当成使用者与机器之间的接口。而电容传感器比机械式传感器具有更好的可靠度-关于此点有为数不少的理由。因为没有会移动的零件，所以使用包覆材料。举例来说，像是MP3播放器的塑料外壳。加以保护的传感器不会有磨损与破裂的情况。人体绝不会直接接触到传感器，所以可以将污物与溢出物封锁在外。

2.1电容检测在汽中的应用

       如今汽车的开关和按钮要多得多。不仅数量众多．而且还必需能够很容易地安装到外形日益多样化的操纵面之中。另外．它们还需具备成本效益性，以取代密封型开关。一种热门的方法是转变为采用电容式触摸开关(CapSense)。由于未采用机械式部件而且能够与成形操纵面相吻合，因此CapSense开关提供了汽车行业所需要的可靠性和价位。

*关于电容式开关

        基于电容感测的技术而应运而生的组件逐渐问世，值此就电容式开关技术特征作分析介绍。

       电容式开关基本上就是一个由两根相邻走线形成的电容器(见图1(a))；根据物理定律在它们之间存在电容。如果把一个导体(比如：手指)放置在靠近这些极板的地方，则一个并联电容将与该传感器相耦合(见图1(b))。当把手放置于电容式传感器之上时，电容将增加。拿开手指后，电容将减小。在增加了用于测量电容变化的电路之后，就可以确定手指的存在与否了。

构造一个电容式开关需要：一个电容器和电容测量电路以及用于把电容值转换成某种开关状态的局部智能。

典型的电容式传感器具有10pF-30pF的电容值。手指通过1mm的绝缘透明塑料膜耦合至传感器的电容通常为1pF-2pF。当采用较厚的透明塑料膜时，耦合电容减小。为了检测手指的存在与否．需要设计能够测量出由手指引起的1％电容变化幅度的电容式触摸感应电路。

弛张振荡器是一种有效而简单的电容测量电路。典型的弛张振荡器电路拓扑结构示于图4。该电路由4个元件组成，一开始．放电开关处于开路状态。当该开关开路时，全部电流均进入传感器。导致其电压线性转换。该充电操作持续进行。直至传感器电压达到比较器的门限电平为止。比较器随后从低电平变换至高电平，导致放电开关闭合。电容式传感器通过该低阻抗路径迅速放电至地。该过程将使比较器的输出从高电平变换至低电平．然后重复这一循环。如下面的公式所示，输出频率(fout)与充电电流成正比，而与门限电压和传感器电容成反比。测量该频率．以确定传感器电容：

当充电电流为5μA、比较器门限为1.3V且传感器电容为30pf时，输出频率为128kHz。测量输出频率花费的时间越长，获得的分辨率就越高。频率分辨率的提高将改善电容测量的灵敏度。增加测量时间将提升测量电容分辨率。在每种应用中，可根据不同的传感器尺寸和透明塑料膜厚度来相应地调整测量时间的变化。

*关于电容式感应技术

电容式感应技术正在迅速成为面板操作和多媒体交互的全新应用技术，其耐用性和降低BOM成本方面的优势，使这种技术在非接触式操作界面上得到广泛的应用。如采用PSoC（Programmable System-on-Chip）器件系列片上系统芯片，实现了非接触式、稳定可靠的电容式感应按键的设计。而1PSoC片上系统PSoC微处理器由处理器内核、系统资源、数字系统和模拟系统组成。

电容感应在感应有物体接近而非实际的触摸时，尤为重要。这就是“接近探测”(proximity detection)的概念。汽车门锁和门禁控制就是接近探测的一个应用实例。一旦授权用户用手接近车门，车门即可打开或者启动引擎。当然，还有很多其他产品功能与接近事件相关。“接近探测”的其他应用还包括快速唤醒PC外设。例如，“接近探测”可集成在无线鼠标或键盘中，从而能从休眠状态中快速唤醒。通常情况下，无线设备在长时间无动作后进入休眠状态后，再次唤醒就需要在PC主机和外设之间重新绑定。应用了接近探测技术后，在进行接触前即可唤醒无线外设，从而可以省去绑定时间。

2.2电容感应在便携设备中的应用

电容感应是利用人体本身的电容或者导电铁笔来产生接触界面，以替代传统的机械控制。这一技术有很多优势：工业设计差异化、内部完全密封防水、界面寿命、允许接近探测及电容式触摸屏应用。

电容感应已经获得了广泛的工业支持。由于当今的家电更注重产品设计而非功能设计，可以预计电容感应将应用于更广泛的家电控制领域。电冰箱、洗碗机、灶具等等，都有独特的应用环境，向电容感应的应用提出了挑战。由于感应元件是完全密封在没有运动部件的表面下面，喷溅在控制面板上的液体不会损坏系统，并很容易被清除。对于汽车和白色家电，由于更新速度不像消费电子产品那么快，所以对控制界面的寿命提出了较高的要求。电容感应很适合这两类产品的需要。由于没有机械运动部件，也就没有了磨损。从第一次到每一次触摸，电容感应都是十分完美的。

3、电容传感器电场测量功效的应用

如今，工程师不必进行实际接触便可以利用电场来探测是否有其他物体出现。这种电场传感器或者电容传感器越来越流行，成为廉价而又耐用的传感技术。许多行业和消费类产品都使用了电容传感器，例如计算机外设、病人监控设备、冰箱霜冻传感器、销售终端以及车库大门安全传感器等。最流行最直接的应用是触摸屏和触摸板。在开发触摸板时，有三点是必须要考虑的：触摸电极设计和布板；面板表面不同的绝缘材料；各种环境条件下对电场测量的影响。

电容传感器还可以用于液面传感。例如，一个简单的设计将电极棒垂直放入水中，形成一个纵向电容，利用电场传感来测量液面。没有液体时只有一个电容，当装入水后，电容被分成了两部分：一个填充了空气(介电常数为1)，另一个填充了水(介电常数为80)。通过简单的计算，就可以确定液面高度。然而，在洗衣机等应用中，水中加入洗涤剂以及有其他杂质时，这一系统不能补偿不同介质特性的影响，影响了精度。

更复杂的电容系统使用坡度电极；它采用厚度变化相同的两个薄片，彼此重叠。当液面上升时，电极的不同区域和水“接触”，从中可以提取出一定的比例。这一比例直接反映了液面变化，而区域的绝对值提供了介电常数信息，可以估算水中的肥皂等其他杂质。

电场传感技术还常用于探测物体的靠近程度。电容模型方程(图5(a))表明电容值和电容电极之间的距离(1/d)成反比。在典型应用中，电容的一个电极是导电电极的一端，另一个电极则在被测物体上。

由于距离和容值相互对应，这类传感器适用于高精度接近测量(图5(b))。在一般室内环境中，Freescale的MC34940使用1平方英尺的电极可以探测距离1 2英寸之外的手。这一技术还可以用于接触控制、安全和安防以及接近唤醒等方面。

4、电容传感器如何应用

传感器的走线可以是任何尺寸、任何形式、以及任意数量的。按钮、滚轮、卷动轴、游戏把手、以及触控板的型态都可以走线方式在传感器PCB上进行布局。

设计工程师有许多可以用来完成使用接口的选项，范围从只是将机械按钮换成电容按钮传感器，到完全不使用按钮．而改以具有八个输出位置的游戏把手，或是能够提128个输出位置的滚轮来代替。

单一传感器组件所能完成的传感器数量，必须视所需传感器的型态而定。以AD7142为例，它具有14个电容输入接脚以及12个转换通道。AD7143有8个电容输入接脚以及8个转换通道。可以采用任意数量的传感器加以组合，以最多不能超过可使用的输入以及通道数量为限。

在所有相连的传感器上，会采用依序循环(round-robin)的方式依序进行量测。所有的传感器可以在36ms内完成量测，因此几乎就是同时对每个传感器的状态进行侦测——极快速的使用者能够在40ms内执行一个触发或是关闭传感器的动作。

5、结束语

在人机界面的应用上，电容传感器与电容式开关及电容感应是一项新崛起的技术，并且很快的在广泛而不同的产品与组件上成为受到欢迎的技术。电容传感器可使得各种可携式与消费性产品具有创新而且易于使用的接口。它们易于设计，使用标准的PCB生产技术，并且比机械式开关更加的可靠，并成为可以符合设计需要的高效能接口。