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消费应用中的电容传感设计实用技巧


时间:2017-12-26 作者:仪商网
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控制器选择是设计过程中非常重要的一环。市场上目前有众多控制器,每种都有其特殊的能力和特性。适合电容传感的控制器应在芯片中内置一个良好的模拟电路,以实现较高的SNR(信噪比 ),维持性能和精度。此外,还建议控制器支持信号调节功能,因为处理电容信号(尤其是在那些多点触摸应用中)需要进行大量的信号调节。增加用于信号调节的驱动器、缓存器或转换器等额外硬件通常不是什么好主意,因为这些组件可能会增加路径噪声和损耗以及物料(BOM)成本。设计用于传输模拟数据的走线也需要特殊技能,因为走线尺寸决定了信号强度,而后者与阻抗匹配成正比。

PSoC(可编程片上系统)控制器内置电容检测感应功能以及运算放大器、互阻抗放大器(TIA)等信号调理电路,它们能让工程师在不增加硬件的情况下将传感器与控制器直接对接。
电容传感技术对水和湿气也很敏感。这有可能影响洗衣机、冰箱等应具备防潮能力的应用的性能和可靠性。水也有电容率,因此会增加电容值,影响电容触摸效果。因此,电容感应传感器必须具备防水性,从而让控制器具备防水功能。

很多消费级系统都可以采用以下方式降低成本:使用一个性能较低的处理器,将模拟传感器数据和电容测量结果传输至离线处理。目前,BLE传输技术通常被用于向安卓和iOS应用传输数据。其它应用可能需要使用WiFi、ZigBee或 WiMax等其它无线通信技术。一个支持无线功能的控制器可极大简化设计。

调谐方法和固件功能

对于那些使用电容传感技术的系统而言,模拟传感器调谐是一个重要的设计步骤。电容感应的精度在很大程度上取决于环境的介电常数,并受触摸环境的影响。设备应能在潮湿、低温、高温和风雪环境中工作。这可以通过调节固件中的感应sensor参数来实现。调试可以是手动或自动(即由微处理器支持)。自动调试技术避免了耗时、耗力的逐步调试传感器的过程。手动调试对于构建数量较少的应用较为方便,因为它不需要大量软件,但需要关注很多因素,如SNR、材料的介电常数、覆盖层的厚度、灵敏度、响应时间等等。一个灵活的控制器应支持自动和手动调谐功能,从而便于量产和操作。

实现智能的信号处理算法还需要良好的固件功能。考虑到调试电容系统的复杂性,控制器必须得到一个综合设计环境的支持。例如,PSoC Creator是一个集成开发环境,可让设计人在不需要编写复杂代码的情况下,设计出具备复杂信号处理功能的电容传感模块

覆盖层及固定方法的选择

覆盖层不仅决定着终端产品的外观,还决定了其感应灵敏度。图4显示了采用电容传感技术的系统中所使用的不同类型的覆盖层,如木质、丙烯酸和玻璃等。实验结果显示,所有这些覆盖层均需要调试才能可靠工作。因为固定问题而导致的覆盖层识别等问题在消费应用中最常见。



电容值随基板和电极之间的间隙而变化。如果覆盖层固定不合理,不断变化的间隙就可能会影响整个系统的性能和精度。吸胶、磁力校准和机械固定是消费电子行业所采用的避免此类问题的一些标准技术。覆盖层厚度是另一个重要参数,因为厚度与电容值和灵敏度成正比。从产品角度而言,覆盖层的材料、工艺和外观是重要参数。在消费应用中,量产一款基于覆盖层的产品是一项设计和制造挑战。

传感器元件的布置和接地技术

通常而言,PCB的地平面应整体均匀。这可以减低噪声,因为噪声是均匀分布的。但这同时增加了寄生电容Cp,从而影响基于电容传感技术的应用。Cp是与传感器走线相关的重要参数。随着Cp的增加,布局的难度也将增加,因为工程师必须更加谨慎,不引入其它寄生电容。这实际上降低了设计人员对布线设计的容忍度。

因此,应为电容应用选择一个hash接地层,而不是均匀的地平面。传感器感应点没有任何其它电信号走线或金属器件。图5显示了这一原理。


关键词:电容触摸技术 电容传感器 电容测量    浏览量:685

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