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【探讨】面向消费应用的电容传感设计

导读: 本文探讨了面向消费应用的电容传感技术的工作原理、设计和应用,以及传感器调试、组件选择、布置标准等设计中遇到的各种问题,并给出了可能的解决方案。使用一个集成电容传感技术所需特性的控制器可提升产品的性能和可靠性,并降低其成本和复杂性。

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电容触摸技术自问世以来,已进军各类应用。触摸技术始于初期手机的电阻式触摸屏,但由于电阻式触控传感器的响应速度较慢,灵敏度成为新设计的主要考虑因素,随之而来便出现了电容式触摸技术,而触控界面也随之在市场上迅速得到普及。

电容传感技术基于以下原理:物体表面一旦有触摸动作发生或者其他任何变化发生,就会改变该物体中某个区域的介电特性,从而改变所检测到的电容,也就是产生电压变化。与电阻触摸技术相比,电容的变化非常快。通过增强表面物质的介电特性,还可以提高变化速度。

电容传感器能直接或间接感应各类参数,其中包括电场、运动、化学特性、加速度、流体特性、压力等等。传感器表面是围绕某种介质的电极,在检测电路和激励电压的帮助下,该介质能够将电容变化转变为一个变化的电压。以下是计算电容变化的典型公式:

C=(∈_0 ∈_r S)/d Farad.Meter。其中: 

∈_0是绝对电容率

∈_r 是相对电容率

s 是表面面积

d 是板间距离。 

此处的∈_0= 8.854 X 〖10〗^(-12)

【探讨】面向消费应用的电容传感设计

图1: 电容测量

与此类似,我们可以依据表面面积特性计算出其它对称表面。对于非对称电极,场线可以给出等势面和通量线的近似值。因此,可以通过像素点方块的数量估算出电容值。

基于电容传感技术的触摸模块包括按键、滑块、触摸板、接近感应传感器、触摸界面、旋转编码器以及其它可用于替代噪声大、笨重的机械按键和开关的界面组件。与机械界面相比,它们不仅能够缩小系统电路板尺寸,而且还能降低功耗。例如,电容触摸界面通常工作于1.8V-5V之间,甚至低至0.9 V,但是它们在灵敏度、功耗要求和误触方面可能存在问题。

一个电容传感子系统需要图2中显示的组件。覆盖层是PCB(印刷电路板)上设备的顶层界面,与用户直接接触。它是一个光滑表面,用户通过触摸它执行具体操作。覆盖层可以是玻璃、木质、丙烯酸、塑料或其它任何非导电材料。下一个组件是PCB。PCB根据介电常数及损耗选择。种类包括:面向低成本应用的FR4基板以及面向高成本应用的低损耗RT/duroid高频线路板材料基板。另一个重要组件是传感器感应点,要求非常灵敏,其设计和在PCB的布置有一定的标准。最后也是最重要的组件就是主控制器,它是负责实现触摸界面所需的所有信号调节与处理工作的大脑。

【探讨】面向消费应用的电容传感设计

图2:电容传感子系统的组件

电容测量可采用两种方法完成:即互电容和自电容。

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