電容傳感器與傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)性能對比

電容傳感器在便攜產(chǎn)品中的應(yīng)用：電容觸摸傳感器接口通常由一個電容傳感器、一個電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)和一個主處理器組成(圖1)。傳感器利用標(biāo)準(zhǔn)兩層或四層PCB上的走線(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導(dǎo)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(dāng)用戶從開啟空調(diào)的汽車到一個濕熱環(huán)境時(shí)，就可能出現(xiàn)上述情況。為了避免發(fā)生斷續(xù)接觸錯誤，CDC必須包括實(shí)時(shí)的漂移補(bǔ)償功能(圖2)。

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

隨著環(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(shù)(在用戶沒有與傳感器接觸期間，由CDC進(jìn)行測量)會發(fā)生漂移。為了進(jìn)行補(bǔ)償，需要動態(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(diào)整，以保持最佳的閾值參考電平，從而自動跟蹤和補(bǔ)償漂移誤差。PCB還可能受到寄生電容的影響，這種電容最大可達(dá)20 pF，它會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(bǔ)償，可以采用對DAC編程的方法，以抵消CDC的輸入。對于各PCB來說，這種寄生電容是一致的，因此可以在制造PCB的時(shí)候進(jìn)行簡單的調(diào)整，這樣就不需要外部RC調(diào)諧元件，從而使材料、裝配和測試相關(guān)的成本最低。單獨(dú)調(diào)整每個傳感器的偏移，使設(shè)計(jì)者可以充分利用轉(zhuǎn)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

電容傳感器取代機(jī)械開關(guān)的好處

傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)具有用戶熟悉的靈敏度和觸覺反饋，對于電容傳感器來說，這些參數(shù)也必須加以考慮和優(yōu)化。不同的傳感器可能需要獨(dú)特的靈敏度，這取決于開關(guān)功能或開關(guān)在產(chǎn)品中的物理位置。而且，一套靈敏度設(shè)置不可能適合所有的用戶，因此應(yīng)該允許用戶設(shè)置不同的靈敏度水平，若能通過靈敏度控制菜單進(jìn)行選擇將是最理想的。

例如，AD7142支持這些靈敏性要求，允許一個單獨(dú)的16位靈敏度控制寄存器為每個傳感器編程。這些寄存器也可以嵌入到主機(jī)固件中，并在菜單顯示中提供，允許用戶選擇不同的靈敏度水平，以滿足其特殊需求。

在用戶沒有與傳感器接觸期間，如果對每個傳感器輸入取樣，則會白白浪費(fèi)電池電量。為使電池效率最大化，CDC應(yīng)能夠檢測到用戶停止觸碰傳感器，并自動切換到低功耗模式。當(dāng)傳感器被再度觸碰時(shí)，IC將自動重新進(jìn)入正常工作模式。

為了節(jié)省更多的功率，還應(yīng)該包括一個完全關(guān)斷模式。這種情況下，只要禁用傳感器，就會關(guān)斷整個IC。在便攜產(chǎn)品中，禁用傳感器開關(guān)通常是通過設(shè)置一個機(jī)械開關(guān)或從控制菜單中選擇阻塞模式來完成的。利用電容傳感器取代傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)還有一個好處，就是制造與裝配工藝更加簡單。傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)需要手工把每個開關(guān)插入到塑料殼體上的專用孔洞中，而一個包含所有這些開關(guān)的單一電容傳感器板可以一步到位，放置在這個塑料殼體下面。含有一個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(zhǔn)。

主處理器板發(fā)射的電磁噪聲可能會耦合進(jìn)入電容傳感器和傳感器走線中，導(dǎo)致不可預(yù)知的傳感器動作，使性能下降，但通過簡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(yīng)安裝在傳感器板上，這會使傳感器走線長度最短，從而降低EMI被耦合到走線中的機(jī)會。其次，利用一個具有結(jié)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。如果這兩個方法不能有效地將EMI噪聲與傳感器隔離，還可以把一個接地金屬屏蔽體放置在傳感器板腔的上方(圖4)。

圖4 模擬前端，其中DAC幫助消除寄生電容的影響

電容傳感器電場也會耦合到產(chǎn)品的金屬殼或?qū)щ娦越饘偻繉拥葘?dǎo)電表面，導(dǎo)致不可預(yù)知的傳感器動作，這樣就造成機(jī)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)。如果塑料過厚，通量電力線將不能有效地穿過塑料，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(yīng)該大于1.0mm，塑料厚度應(yīng)該小于4.0mm，使靈敏度保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。