电容传感器相关技术及其应用

电容传感器相关技术及其应用      

 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。