觸摸傳感應(yīng)用的近接電容式傳感器技術(shù)

1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體在穿過磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生與移動(dòng)速度直接成正比的電壓：導(dǎo)體移動(dòng)速度越快，電壓就越高。現(xiàn)在，感應(yīng)式近接傳感器使用法拉第的電磁感應(yīng)定律，無需實(shí)際接觸傳導(dǎo)材料就能檢測(cè)到它們的距離。然而，這些傳感器的最大不足之處是它們只能檢測(cè)金屬導(dǎo)體，并且不同類型的金屬對(duì)檢測(cè)范圍也會(huì)帶來一定影響。

　　另一方面，近接電容式傳感器遵守同一原理，但是能夠檢測(cè)具有傳導(dǎo)性的任何事物或不同于傳感器電極環(huán)境介電性能的任何事物。隨著人機(jī)界面設(shè)計(jì)更多地采用觸摸面板來可靠地響應(yīng)命令，近接電容式傳感器變得越來越普及。現(xiàn)在在大量不同的控制面板應(yīng)用中，飛思卡爾的先進(jìn)的MPR083和MPR084近接電容式觸摸傳感器控制器能夠取代開關(guān)和按鈕。MPR083 器件支持8方向旋轉(zhuǎn)界面，而MPR084 器件則能夠控制多達(dá)8個(gè)觸摸板。

　　近接電容式傳感器概述

　　近接電容式傳感是一項(xiàng)支持觸摸檢測(cè)的技術(shù)，它通過測(cè)量電容和展示電容變化來反映周圍材料的變化。某些傳感器通過生成電場(chǎng)并測(cè)量該電場(chǎng)所遭受的衰減，進(jìn)而測(cè)出變化。與感應(yīng)式傳感器不同的是，近接電容式傳感器能夠檢測(cè)具有傳導(dǎo)性的任何事物或不同于傳感器電極環(huán)境介電性能的任何事物。它們是出色的觸摸板支持工具，由于我們?nèi)梭w的主要成分是水，具有很高的介電常數(shù);并且我們體內(nèi)包含離子物質(zhì)，這使得人體成為很好的電導(dǎo)體。

　　在近接電容式傳感器中，飛思卡爾使用了多種技術(shù)。MC33794、MC33941和MC34940產(chǎn)品系列在傳感器集成電路(IC)中包含振蕩器電路，以生成高純度、低頻率5V正弦波，并由39000歐姆負(fù)載電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個(gè)AC信號(hào)被饋入復(fù)用器里，復(fù)用器然后將信號(hào)定向傳輸?shù)竭x定的電極/參考引腳或內(nèi)部測(cè)量節(jié)點(diǎn)上。IC自動(dòng)把未選的節(jié)點(diǎn)連接到電路接地中，充當(dāng)創(chuàng)建電場(chǎng)電流所需的返回路徑。

　　當(dāng)物體(例如我們高度絕緣和導(dǎo)電的身體上的一個(gè)手指)靠近金屬電極時(shí)，就形成了一條電路徑，從而導(dǎo)致電場(chǎng)電流發(fā)生變化。正常情況下，傳感器測(cè)量產(chǎn)生電的電場(chǎng)中的AC阻抗，并且將將測(cè)量轉(zhuǎn)化成DC輸出電壓。帶有模數(shù)控制器(ADC)的外部微控制器然后會(huì)處理這個(gè)信息，以執(zhí)行任意數(shù)量的功能，例如與觸摸板控制面板相關(guān)的功能。但是，我們更先進(jìn)的MPR083和MPR084近接電容式觸摸傳感器控制器則通過帶定制尋址的內(nèi)置集成電路(I2C)生成數(shù)字輸出，因此不需要外部ADC。

　　這種測(cè)量方法涉及RC振蕩器技術(shù)，該技術(shù)采用GPIO檢測(cè)準(zhǔn)確電壓變化。GPIO在0.5x Vdd時(shí)完成從低到高的過渡，并通過測(cè)量延遲實(shí)現(xiàn)觸摸檢測(cè)。MPR08X系列的優(yōu)勢(shì)包括功耗更低、智能增加，并對(duì)特定微控制器優(yōu)化了傳感器算法。器件和軟件都具有很高的可配置性，而且針對(duì)專用傳感器版面設(shè)計(jì)還優(yōu)化了控制器。時(shí)鐘由寄存器控制，以便實(shí)現(xiàn)精確的電源模式控制，降低功耗。

　　由于可靠性的提高(無移動(dòng)部件)、更大的設(shè)計(jì)自由和更時(shí)尚的外觀，近接電容式觸摸傳感正快速受到設(shè)計(jì)人員的歡迎。

　　旋轉(zhuǎn)式觸摸輪是一組呈環(huán)狀排列的觸摸板(參見圖5)。觸摸輪不只檢測(cè)手指的存在，而且檢測(cè)手指在觸摸輪表面的位置。這個(gè)表面是指旋轉(zhuǎn)式輪內(nèi)周與外周間的面積。

　　MPR083近接電容式觸摸傳感器控制可以控制8方向旋轉(zhuǎn)觸摸輪和線性滑軌應(yīng)用。電容式滑軌是一個(gè)延伸的觸摸板，可以沿滑軌長(zhǎng)度檢測(cè)手指位置。原始檢測(cè)輸出是一個(gè)給出觸摸條件的單位和一個(gè)給出位置信息的多位字。

　　音量控制是電容式滑軌的典型應(yīng)用。

　　MPR083器件具有與MPR084觸摸傳感器控制器相同的特性，包括通用引腳輸出，從而簡(jiǎn)化了控制面板、開關(guān)更換、旋轉(zhuǎn)式和線性滑軌及觸摸板實(shí)施的管理。

　　近接電容式傳感器的其他應(yīng)用

　　盡管觸摸傳感是近接電容傳感器的一個(gè)增長(zhǎng)最為迅速的市場(chǎng)，但它們也被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)、工業(yè)和汽車市場(chǎng)中的大量其他創(chuàng)新應(yīng)用。例如：

　　液位傳感。一個(gè)使用近接電容傳感測(cè)量液位的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，需要在水柱中放置垂直電極條，進(jìn)而在水柱壁上形成垂直的電容器。當(dāng)水柱變空時(shí)，就形成一個(gè)電容器。但裝滿水后，電容器就一分為二，其中一個(gè)裝滿空氣(電介質(zhì)為1)，另一個(gè)裝滿水(電介質(zhì)約為80)。簡(jiǎn)單的算法可以確定液體高度。但在諸如洗衣機(jī)等應(yīng)用中，由于加入了清潔劑，并且出現(xiàn)了灰塵和其他雜質(zhì)，該系統(tǒng)無法補(bǔ)償不同的介電屬性。

　　更尖端的電容系統(tǒng)使用梯度電極。這種電極排列需要將兩個(gè)厚度不等的電極板彼此重疊。隨著液位上升，電極的不同位置將與水“接觸”，從而可以提取它們之間的唯一比率。這個(gè)比率將與液位直接相關(guān)，而這個(gè)位置的絕對(duì)值將提供電介質(zhì)信息。這些信息可以用來估計(jì)水中的肥皂和污物含量。

　　近接傳感。近接電容傳感器的另外一個(gè)常見用途基于其檢測(cè)物體近接性的能力。電容器模型等式(1)顯示，電容與兩個(gè)電容器極板(1/d)之間的距離呈反比。在典型應(yīng)用中，傳導(dǎo)電極極板應(yīng)是其中一個(gè)電容器極板，而感應(yīng)對(duì)象則充當(dāng)另一個(gè)電容器極板。

雖然距離和電容之間的關(guān)系是一種漸近關(guān)系，但這類傳感器更適合在近接中需要高分辨率應(yīng)用中。例如，飛思卡爾MC34940近接電容式觸摸傳感器將極板中的1英尺作為電極，檢測(cè)距離在1英寸外的一支手。

　　近接傳感技術(shù)在眾多市場(chǎng)的安全應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。例如，它們可以檢測(cè)車內(nèi)是否有人，甚至能確定他們的個(gè)頭大小，以觸發(fā)安全帶警報(bào)，為安全氣囊部署系統(tǒng)提供寶貴的數(shù)據(jù)。

　　多電極和屏蔽驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　飛思卡爾的MC33794、MC33941和MC34940近接電容式觸摸傳感器可以支持多個(gè)電極，為一個(gè)芯片控制的幾個(gè)應(yīng)用提供平臺(tái)，即便這些應(yīng)用的間距很大。但是，由于電極信號(hào)是通過電線或同軸電纜發(fā)射到傳感器IC上的，所以它們會(huì)因?yàn)橥饨绺蓴_而削弱。為了最大限度減少干擾，飛思卡爾在這些部件中都融入了一個(gè)屏蔽驅(qū)動(dòng)。

　　屏蔽驅(qū)動(dòng)電路提供電極返回的AC信號(hào)的緩沖版本。因?yàn)樗c電極信號(hào)具有相同的振幅和相位，兩個(gè)信號(hào)之間沒有很大差別或者差別很小，因此抵消了任何電場(chǎng)。實(shí)際上，屏蔽驅(qū)動(dòng)把電極信號(hào)從外部虛擬接地中隔離開來，實(shí)現(xiàn)盡可能精確的遠(yuǎn)程電極測(cè)量，如同它們離IC很近一樣(圖7)。

　　一個(gè)常見應(yīng)用是將屏蔽驅(qū)動(dòng)連到與電極和對(duì)應(yīng)電極端子相連的同軸電纜屏蔽上。

　　屏蔽驅(qū)動(dòng)技術(shù)的另外一個(gè)典型應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)觸摸傳感器電極陣列后面的接地平面，來抵消可能削弱AC信號(hào)的任何虛擬接地(圖8)。屏蔽驅(qū)動(dòng)限制了邊緣電場(chǎng)的信號(hào)損失，因此有助于確保最強(qiáng)大的可能電場(chǎng)，而且在觸摸面板中還能增強(qiáng)觸摸板的靈敏度。

　　屏蔽驅(qū)動(dòng)技術(shù)不僅使開發(fā)人員能夠用最少的近接電容式觸摸傳感器來驅(qū)動(dòng)大量獨(dú)立應(yīng)用，而且還能設(shè)計(jì)大量的獨(dú)立電極，在更廣泛的區(qū)域內(nèi)執(zhí)行同一功能，例如能夠感應(yīng)到乘客甚至跟蹤乘客移動(dòng)的智能腳墊。

　　近接傳感與無線協(xié)議(如ZigBee技術(shù))的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了更廣泛的控制和與局域網(wǎng)連接，應(yīng)用機(jī)會(huì)將層出不窮。安全、照明、集成的娛樂控制和通用近接檢測(cè)，這些只是眾多利用近接電容傳感技術(shù)優(yōu)勢(shì)(如便利性和價(jià)格相對(duì)低廉的)的應(yīng)用示例中的幾個(gè)。

　　結(jié)論

　　近接電容式傳感器在眾多消費(fèi)、工業(yè)和汽車應(yīng)用中的使用正迅猛增長(zhǎng)。設(shè)計(jì)出能夠使用智能觸摸控制界面的控制面板應(yīng)用，將為生產(chǎn)商和消費(fèi)者帶來大量好處，包括：

• 　　取代機(jī)械按鈕、開關(guān)和滑軌;
• 　　減少機(jī)械磨損，增強(qiáng)可靠性;
• 　　為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供更大的靈活性;
• 　　降低系統(tǒng)總成本;
• 　　簡(jiǎn)化機(jī)器控制界面。

　　飛思卡爾的近接電容觸摸傳感器系列將繼續(xù)壯大，為生產(chǎn)商提供更多在他們的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用近接電容式傳感器的機(jī)會(huì)。飛思卡爾近接電容式觸摸傳感器技術(shù)已經(jīng)把控制面板設(shè)計(jì)的精確性、使用性和可靠性提高到一個(gè)新水平，并將繼續(xù)幫助客戶在全球新興市場(chǎng)創(chuàng)造出新的應(yīng)用