人体接触应用中的电容检测,电容传感器在iPod等产品中获得的成功的秘诀

来源:未知作者:行业资讯 日期:2020/01/28 13:03 浏览:

可靠的传感器必须不受外界环境变化的影响,能够在任何工作条件下保持精确的灵敏度水平。电容传感器滚轮在iPod等产品中获得的成功,正在促使其他消费电子产品开发商考虑使用电容传感器来改善产品的用户界面,并使产品看起来更加美观。事实上,电容触摸传感器接口的应用并不仅限于MP3播放器,而是可以用于目前采用传统机械开关的任何产品之中,如新款手机的菜单控制按钮。利用可靠性高、引人注目并具有成本效益的电容触摸传感器,可以轻松地改变这些高级功能菜单控制开关的式样。电容触摸传感器接口通常由一个电容传感器、一个电容数字转换器(CDC)和一个主处理器组成。传感器利用标准两层或四层PCB上的走线(trace)或柔性电路制造,因此不需要任何外部元件或材料。温度或湿度的变化会导致PCB材料的特性发生变化,因此,印刷电路电容传感器的输出电平将发生漂移。例如,当用户从开启空调的汽车到一个湿热环境时,就可能出现上述情况。为了避免发生断续接触错误,CDC必须包括实时的漂移补偿功能。随着环境条件的变化(例如,温度或湿度上升),传感器的环境参数(在用户没有与传感器接触期间,由CDC进行测量)会发生漂移。为了进行补偿,需要动态改变高端和低端阈值电平,以确定有效的传感器接触。利用电容传感器取代传统的机械开关还有一个好处,就是制造与装配工艺更加简单。传统的机械开关需要手工把每个开关插入到塑料壳体上的专用孔洞中,而一个包含所有这些开关的单一电容传感器板可以一步到位,放置在这个塑料壳体下面。含有一个定位槽口的传感器板安装孔和一些胶水就足以完成传感器板的安装与位置校准。 标签: 数字转换器 电容传感器

电容触摸传感器接口通常由一个电容传感器、一个电容数字转换器和一个主处理器组成。传感器利用标准两层或四层PCB上的走线或柔性电路制造,因此不需要任何外部元件或材料。

电容传感器滚轮在iPod等产品中获得的成功,正在促使其它MP3生产商考虑使用电容传感器来改善产品的用户界面,并使产品看起来更加简洁、美观。事实上,电容触摸传感器的应用并不仅限于MP3播放器,而是可以用于目前采用传统机械开关的任何产品之中,特别是小巧的便携式产品,如新款手机的菜单控制按钮。利用可靠性高并具有成本效益的电容触摸传感器,可以轻松地改变这些高级菜单控制开关的式样。 电容触摸传感器界面通常由一个电容传感器、一个电容-数字转换器(CDC)和一个主处理器组成。传感器利用标准的两层或四层PCB上的线迹(trace)或柔性电路制造,因此不需要任何外部元件和材料。 灵敏度:兼具精确与灵活 可靠的传感器必须不受外界环境变化的影响,能够在任何工作条件下保持精确的灵敏度水平。由于温度或湿度的变化,PCB材料的特性将会发生变化,因此,印刷电路电容传感器的输出水平将发生漂移。例如,当用户从开着空调的汽车中来到一个湿热环境中时,就可能出现上述情况。为了避免发生断续接触错误,CDC必须包括实时的漂移补偿。 随着环境条件的变化(例如,温度或湿度上升),传感器的环境参数会发生漂移。在用户没有与传感器接触期间,由CDC对环境参数加以测量。为了进行补偿,需对高端和低端阈值水平进行动态调整,以确定有效的传感器接触。 PCB还可能受到寄生电容的困扰,这种电容最大可达20pF,它会使阈值发生偏移。当电容处于阈值时,电容触摸传感器就被视为遭到按压,因此阈值偏移改变了它的灵敏度。为了对寄生电容进行补偿,可以采用对DAC编程的方法,以抵消进入CDC的输入。对于各PCB来说,这种寄生电容是一致的,因此可以在制造PCB的时候进行简单的调整,这样就不需要外部RC调谐元件,从而使材料、装配和测试方面的成本最小化。单独调整每个传感器的偏移,使设计者可以充分利用转换器的分辨率。 此外,主机处理器板发射的电磁噪声如果耦合进入电容传感器和传感器线迹之中,将导致不可预知的传感器动作。这可能导致性能下降,但有简单的方法有助于使传感器中的电磁干扰(EMI)效应最小化:首先,CDC应该安装在传感器板上。这会使传感器线迹长度最短,从而降低EMI被耦合到线迹中的机会。另外,利用一个具有结实的接地层的四层传感器板,可以为传感器提供额外的EMI屏蔽。如果这两个方法不能有效地把EMI噪声与EMI隔离,还可以把一个接地金属屏蔽放置在传感器板腔的上方。 电容传感器电场也会耦合到产品的导电性金属壳或金属涂层,导致不可预知的传感器行为。这样就带来了机械约束,电容传感器的边缘要与金属表面的边缘保持一定的距离。而且,电容传感器的灵敏度也与直接位置传感器上方的塑料厚度有关。如果塑料过厚,则流量场线就不能有效地穿过塑料,使传感器性能变得不可靠。典型情况下,外壳与传感器之间的距离应该大于1.0mm,塑料厚度应该小于4.0mm,以使灵敏度保持在适当的范围之内。 保持用户对灵敏度的主动性也是相当重要的。传统的机械开关具有用户熟悉的灵敏度和触觉反馈,对于电容传感器来说,这些参数也必须加以考虑和优化。不同的传感器可能需要独特的灵敏度,这取决于开关功能或开关在产品中的物理位置。而且,一套灵敏度设置不可能适合所有的用户,因此应该允许用户设置不同的灵敏度水平——若能通过灵敏度控制菜单进行选择是最理想的。例如,AD7124支持这些灵敏性要求,允许对一个单独的16位灵敏度控制寄存器为每个传感器编程。这些寄存器也可以嵌入到一个主机固件之中,并在菜单显示中提供,允许用户选择不同的灵敏度水平,以满足其特殊需求。 其它优势:节能与简化装配 在用户没有与传感器接触期间,如果每个传感器输入都被取样,则会白白浪费电池功率。为了使电池效率最大化,CDC应该能够检测到用户停止与传感器接触。并自动切换到低功率模式。当传感器被再度接触时,再自动重新进入正常的操作模式。为了节省更多的功率,还应该包括一个彻底关断模式。在便携产品中,关闭传感器开关通常是通过设置一个机械开关或从控制菜单中选择一个阻塞模式来完成的。 利用电容传感器取代传统的机械开关的另一个好处是,制造与装配工艺更加简单。传统的机械开关需要手工把每个开关插入到塑料壳体上面的专门孔洞之中,而一个包含所有这些开关的单一的电容传感器板可以一步到位,放置在这个塑料壳体下面。含有一个定位槽口的传感器板安装孔和一些胶水就足以完成传感器板的安装与位置校准。(end)

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可靠的传感器必须不受外界环境变化的影响,能够在任何工作条件下保持精确的灵敏度水平。温度或湿度的变化会导致PCB材料的特性发生变化,因此,印刷电路电容传感器的输出电平将发生漂移。例如,当用户从开启空调的汽车到一个湿热环境时,就可能出现上述情况。为了避免发生断续接触错误,CDC必须包括实时的漂移补偿功能。

电容检测不仅用在您的智能手机中;在必须与人体皮肤接触的医疗设备等产品中,它也有用武之地。本文介绍如何使用电容检测来确定设备表面与用户皮肤的接触质量。容性检测技术在传统的人机界面应用中继续受到青睐,例如笔记本电脑触控板、MP3播放器、触摸屏显示器和近程检测器等。除了利用容性传感器取代机械按钮外,用一点点想象力,再加上人机界面设计的基本原理,将会使很多其它应用也能利用这一技术。图1所示为一些应用概念示例,这些概念可以通过采用人体接触检测得到完善。对于图1中所示的器件,若能在启动器件或进行测量之前先了解器件与皮肤之间的接触质量等相关信息,往往较为有利。这些器件包括需要紧靠皮肤的医用探针、生物电位电极传感器或者用于固定导管用管的外壳。为确定接触条件,可以在注塑生产过程中将图中绿色的几个容性传感器电极直接嵌入器件的塑料外壳。主机微控制器读取容性传感器控制器IC上的一些状态寄存器,这些寄存器表示容性传感器离皮肤有多近。随后,主机微控制器上运行的基本检测算法处理状态寄存器信息,以确定各传感器电极与皮肤的接触是否适当。在传统的容性检测人机界面应用中,人们一般通过手指触碰开始接触传感器电极。图1中的示例则以非传统方式使用容性传感器,用户在人体上放置了一个含有容性检测电极的器件。开发这类应用很简单,但为了构建一个稳定可靠的系统,还是应当遵守一些关键准则。电容数字控制器开发高性能接触检测应用,首先要选择一个合适的电容数字控制器(CDC)。对于图1所示的应用,器件表面与皮肤的接触是直接通过能量的细微变化测量的,这种能量变化分布在容性传感器电极阵列中,当器件与皮肤发生接触时就会产生。这种测量的精度取决于CDC模拟前端的灵敏度和传感器电极的数量。采用传统PCB工艺制造的容性传感器精度通常在50 fF至20 pF范围内,因此使用16位CDC的高精度测量技术是比较理想的。在选择CDC时,首先要明确一些关键特性,例如带16位ADC的高分辨率模拟前端、可编程传感器灵敏度设置、可编程传感器失调控制、片内环境校准、支持理想数量传感器电极的充足容性输入通道,以及无需使用外部RC器件进行传感器校准的集成设计。这些特性均支持可靠而灵活的应用,带来最佳用户体验。例如,可编程灵敏度可使界面设计人员针对具体应用预设最佳的传感器灵敏度,而非采用可能导致较差灵敏度的固定解决方案。可编程失调控制对界面设计人员是另一个重要特性,因为每一个生产批次的传感器板的失调值可能都会略有不同。快速预表征允许在将新传感器板投入量产之前更改主机固件设置。对于环境温度或湿度预计会发生变化的应用,片内环境校准可实现更可靠的解决方案。请注意,电极传感器是使用标准PCB铜迹线构建的;基板的属性会随温度和湿度的变化而改变,因此将会改变传感器输出的基线电平。如果CDC支持片内校准,这种基线漂移就可以在产品使用中得到动态补偿。小电极需要高灵敏度测量的目标是确定设备与皮肤的紧靠程度;皮肤与设备的接触质量越好,设备的读取就越准确。测量的准确度取决于分布在器件接触面区域的电极传感器的数量和大小。对于图1所示的应用,器件的表面区域一般很小,需要设计人员在开发应用时采用小型传感器电极。为了可靠测量与小传感器电极相关的小电容变化,需要使用高灵敏度模拟前端控制器。请记住,塑料覆盖材料的类型和厚度会进一步影响传感器透过塑料发射的小信号。控制器的模拟前端测量必须具有足够的灵敏度来测量这种小信号,同时在所有工作条件下,在测得信号和阈值电平检测设置之间保持较好的信号余量。较低的信号余量会增加误检和传感器不稳定的风险。为了最大程度降低风险,当使用带16位ADC的CDC时,在传感器基线电平与接触阈值电平之间应保持至少1000 LSB的余量。AD7147和AD7148 CapTouch可编程控制器用于单电极电容传感器,具有16位分辨率,可进行毫微微法拉级测量,并可在满量程范围内设置16个可编程阈值检测电平值。这两款控制器支持1 mm塑料覆盖材料下的3 mm × 3 mm的小型传感器电极,同时仍保持1000 ADC LSB的满量程信号余量。满量程信号余量是指在没有皮肤接触和有皮肤接触的情况下传感器输出之间的差。保持可靠性能容性传感器电极是采用PCB上的标准铜材料或柔性材料制成的。这种材料的特性会随温度和湿度的变化而发生改变。这种变化会使基线电平发生偏移。较大的基线偏移增加了接触阈值电平过低或过高的风险这会引起虚假的接触误差,或使阈值电平不是太灵敏就是不够灵敏,导致接触状态的不稳定。为保持传感器原始的信号接触阈值检测电平余量,CDC需要自动跟踪基线偏移误差的幅度,并对阈值设置进行相应的重新调整。图2中的示例介绍了AD7147和AD7148的阈值电平如何针对因环境条件变化引起的基线失调变化进行自动跟踪和调整。消除测量误差在器件内加入容性传感器电极阵列的改装行为可能造成空间限制,迫使设计人员将CDC放置在远离容性传感器的位置。这会增加并行传感器走线的长度并使布线密集,不利于容性检测应用,因为处于不同直流电位的走线会形成图3A所示的杂散耦合路径。 PCB的接地层无法预防这种情况,因为走线和接地层处于不同的直流电位,仍会形成杂散电容。

随着环境条件的变化(例如,温度或湿度上升),传感器的环境参数(在用户没有与传感器接触期间,由CDC进行测量)会发生漂移。为了进行补偿,需要动态改变高端和低端阈值电,以确定有效的传感器接触。位置2、3、5、6处的参考电平进行重新调整,以保持最佳的阈值参考电平,从而自动跟踪和补偿漂移误差。

图3. 杂散电容的路径,显示了下列并行走线的结果:无灌铜层的并行走线(A)、接地灌铜层上的并行走线(B),以及与走线具有相同直流电位的灌铜层上的并行走线(C)

PCB还可能受到寄生电容的影响,这种电容最大可达20pF,它会在电容触摸传感器视为受到按压时,使阈值发生偏移,从而改变其灵敏度。为了对寄生电容进行补偿,可以采用对DAC编程的方法,以抵消CDC的输入。对于各PCB来说,这种寄生电容是一致的,因此可以在制造PCB的时候进行简单的调整,这样就不需要外部RC调谐元件,从而使材料、装配和测试相关的成本最低。单独调整每个传感器的偏移,使设计者可以充分利用转换器的分辨率。

若要消除杂散电容误差,一种方法是将相邻的走线用由直流电平驱动的层包围起来。AD7147和AD7148器件通过提供具有此功能的专用ACSHIELD输出来消除杂散电容,如图3C所示。水疗护肤产品等消费类保健设备正从专业机构走入普通家庭,用户不再是经过专门培训、熟悉产品及其应用的技师。因此,很多这类产品需要更智能的用户界面,才能使未经培训的用户也能掌握正确的产品使用方法。容性检测为用户界面设计人员提供了新的选择,使他们能够探索各种创新方法以满足新的用户界面需求。容性数字技术提供容性传感器电极与皮肤的接触信息,可用来保持最佳的产品性能和安全性。

传统的机械开关具有用户熟悉的灵敏度和触觉反馈,对于电容传感器来说,这些参数也必须加以考虑和优化。不同的传感器可能需要独特的灵敏度,这取决于开关功能或开关在产品中的物理位置。而且,一套灵敏度设置不可能适合所有的用户,因此应该允许用户设置不同的灵敏度水平,若能通过灵敏度控制菜单进行选择将是最理想的。例如,AD7142支持这些灵敏性要求,允许一个单独的16位灵敏度控制寄存器为每个传感器编程。这些寄存器也可以嵌入到主机固件中,并在菜单显示中提供,允许用户选择不同的灵敏度水平,以满足其特殊需求。在用户没有与传感器接触期间,如果对每个传感器输入取样,则会白白浪费电池电量。为使电池效率最大化,CDC应能够检测到用户停止触碰传感器,并自动切换到低功耗模式。当传感器被再度触碰时,IC将自动重新进入正常工作模式。

为了节省更多的功率,还应该包括一个完全关断模式。这种情况下,只要禁用传感器,就会关断整个IC。在便携产品中,禁用传感器开关通常是通过设置一个机械开关或从控制菜单中选择阻塞模式来完成的。

利用电容传感器取代传统的机械开关还有一个好处,就是制造与装配工艺更加简单。传统的机械开关需要手工把每个开关插入到塑料壳体上的专用孔洞中,而一个包含所有这些开关的单一电容传感器板可以一步到位,放置在这个塑料壳体下面。含有一个定位槽口的传感器板安装孔和一些胶水就足以完成传感器板的安装与位置校准。

主处理器板发射的电磁噪声可能会耦合进入电容传感器和传感器走线中,导致不可预知的传感器动作,使性能下降,但通过简单的方法也可帮助将电磁干扰对传感器的影响降至最低。首先,CDC应安装在传感器板上,这会使传感器走线长度最短,从而降低EMI被耦合到走线中的机会。其次,利用一个具有结实接地层的四层传感器板,可以为传感器提供额外的EMI屏蔽。如果这两个方法不能有效地将EMI噪声与传感器隔离,还可以把一个接地金属屏蔽体放置在传感器板腔的上方。

电容传感器电场也会耦合到产品的金属壳或导电性金属涂层等导电表面,导致不可预知的传感器动作,这样就造成机械限制,要求电容传感器的边缘与金属表面的边缘保持一定的距离。而且,电容传感器的灵敏度也与传感器正上方的塑料厚度有关。如果塑料过厚,通量电力线将不能有效地穿过塑料,使传感器性能变得不可靠。通常,外壳与传感器之间的距离应该大于1.0mm,塑料厚度应该小于4.0mm,使灵敏度保持在适当的范围内。