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消費應用中的電容傳感設計實用技巧


時間:2017-12-26 作者:儀商網
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控制器選擇是設計過程中非常重要的一環。市場上目前有眾多控制器,每種都有其特殊的能力和特性。適合電容傳感的控制器應在芯片中內置一個良好的模擬電路,以實現較高的SNR(信噪比 ),維持性能和精度。此外,還建議控制器支持信號調節功能,因為處理電容信號(尤其是在那些多點觸摸應用中)需要進行大量的信號調節。增加用于信號調節的驅動器、緩存器或轉換器等額外硬件通常不是什么好主意,因為這些組件可能會增加路徑噪聲和損耗以及物料(BOM)成本。設計用于傳輸模擬數據的走線也需要特殊技能,因為走線尺寸決定了信號強度,而后者與阻抗匹配成正比。

PSoC(可編程片上系統)控制器內置電容檢測感應功能以及運算放大器、互阻抗放大器(TIA)等信號調理電路,它們能讓工程師在不增加硬件的情況下將傳感器與控制器直接對接。
電容傳感技術對水和濕氣也很敏感。這有可能影響洗衣機、冰箱等應具備防潮能力的應用的性能和可靠性。水也有電容率,因此會增加電容值,影響電容觸摸效果。因此,電容感應傳感器必須具備防水性,從而讓控制器具備防水功能。

很多消費級系統都可以采用以下方式降低成本:使用一個性能較低的處理器,將模擬傳感器數據和電容測量結果傳輸至離線處理。目前,BLE傳輸技術通常被用于向安卓和iOS應用傳輸數據。其它應用可能需要使用WiFi、ZigBee或 WiMax等其它無線通信技術。一個支持無線功能的控制器可極大簡化設計。

調諧方法和固件功能

對于那些使用電容傳感技術的系統而言,模擬傳感器調諧是一個重要的設計步驟。電容感應的精度在很大程度上取決于環境的介電常數,并受觸摸環境的影響。設備應能在潮濕、低溫、高溫和風雪環境中工作。這可以通過調節固件中的感應sensor參數來實現。調試可以是手動或自動(即由微處理器支持)。自動調試技術避免了耗時、耗力的逐步調試傳感器的過程。手動調試對于構建數量較少的應用較為方便,因為它不需要大量軟件,但需要關注很多因素,如SNR、材料的介電常數、覆蓋層的厚度、靈敏度、響應時間等等。一個靈活的控制器應支持自動和手動調諧功能,從而便于量產和操作。

實現智能的信號處理算法還需要良好的固件功能。考慮到調試電容系統的復雜性,控制器必須得到一個綜合設計環境的支持。例如,PSoC Creator是一個集成開發環境,可讓設計人在不需要編寫復雜代碼的情況下,設計出具備復雜信號處理功能的電容傳感模塊

覆蓋層及固定方法的選擇

覆蓋層不僅決定著終端產品的外觀,還決定了其感應靈敏度。圖4顯示了采用電容傳感技術的系統中所使用的不同類型的覆蓋層,如木質、丙烯酸和玻璃等。實驗結果顯示,所有這些覆蓋層均需要調試才能可靠工作。因為固定問題而導致的覆蓋層識別等問題在消費應用中最常見。



電容值隨基板和電極之間的間隙而變化。如果覆蓋層固定不合理,不斷變化的間隙就可能會影響整個系統的性能和精度。吸膠、磁力校準和機械固定是消費電子行業所采用的避免此類問題的一些標準技術。覆蓋層厚度是另一個重要參數,因為厚度與電容值和靈敏度成正比。從產品角度而言,覆蓋層的材料、工藝和外觀是重要參數。在消費應用中,量產一款基于覆蓋層的產品是一項設計和制造挑戰。

傳感器元件的布置和接地技術

通常而言,PCB的地平面應整體均勻。這可以減低噪聲,因為噪聲是均勻分布的。但這同時增加了寄生電容Cp,從而影響基于電容傳感技術的應用。Cp是與傳感器走線相關的重要參數。隨著Cp的增加,布局的難度也將增加,因為工程師必須更加謹慎,不引入其它寄生電容。這實際上降低了設計人員對布線設計的容忍度。

因此,應為電容應用選擇一個hash接地層,而不是均勻的地平面。傳感器感應點沒有任何其它電信號走線或金屬器件。圖5顯示了這一原理。


關鍵詞:電容觸摸技術 電容傳感器 電容測量    瀏覽量:877

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