電池供電設備中的電容傳感設計考量

平板電腦和手機等移動設備一般需要接近傳感器實施特定吸收率(SAR)查驗和近耳(on-ear)檢測。電容感測可以滿足這兩個要求。自電容技術廣泛應用于移動設備的接近感應。非常有必要指出：感測電極及其尺寸，并非唯一設計變量。此外，要努力在時刻將品質管控牢記在心的前提下，有效地實現(xiàn)SAR傳感器。

電容式接近感應技術概述

電容式感測技術是能通過SAR測試的極少數(shù)具有成本效益的技術之一。電容感測技術沒有其它傳感器技術所有的各種限制。

在需要最佳性能的復雜和緊湊的設計中實現(xiàn)電容式傳感器時，注意一些關鍵要點很重要：

與電池地的關聯(lián)：所有的傳感器測量都是相對于電池地(設備地)的。人體地(充分耦合到大地)和設備地之間的變異會影響性能。下圖顯示了這些潛在變數(shù)。

極度敏感：下圖顯示的是一個平行板電容器的理論值。當人(無限地平面)接近電容式傳感器(充電的電極)時，情況與下圖類似。將這種水平的敏感性(每毫米屈指可數(shù)幾個毫微微法拉的增量)牢記在心，就更容易理解機械不穩(wěn)定性和典型設備放置為什么也可以觸發(fā)此種傳感器。機械不穩(wěn)定性是指柔性印刷電路(FPC)微米級水平的運動或設備外殼相對于電池或設備內另一個大的接地結構的位置。

圖1：電路元件描述顯示了設備地對感測性能的影響。

圖2：1mm×20mm小電極與假想體(地平面)在不同間距下的電容估算。

優(yōu)化電極尺寸

在進行電極設計(大小和位置)時不能將參考地置之度外。這是因為，在電極和參考地之間會形成靜電場，其方式與平行板電容器形成的靜電場一樣。從下圖3可見，平行板電容器模型是如何被轉換成一個裝置的。

圖3：(a)是平行板電容器模型可被轉換成設備測試的例子;(b) 組合視圖，強調這兩個效果一起決定觸發(fā)距離。

如果觸發(fā)平面(假想體、手等)比電極大，則用于計算觸發(fā)距離的一個好的經驗公式是：

觸發(fā)距離1≈電極長度(1mm寬度內)

或者

觸發(fā)距離2≈電極與設備地之間的距離

通常，在這兩個距離中，以最短的那個為主。

大多數(shù)情況，增大電極寬度會對觸發(fā)距離產生正面影響。當寬度朝設備地展延，需用上式的觸發(fā)距離2計算時，則對更大電極會產生效果的預期將不再被滿足。該效應如圖4所示。

圖4：感應盤尺寸和感應盤到設備地距離的影響

優(yōu)化設備地以實現(xiàn)最佳的傳感器性能

設備地和參考地應該被認定是電極排布和設計過程的一部分。

參考地只能被視為是一種可潛在改進對用戶/假想體參考(增加容抗)的元素。此效應提高了靈敏度，且可能增加觸發(fā)距離。當準備進行SAR驗證時，建議在更孤立(如圖1所示，其中C2很小)的環(huán)境下測試設備。

在隔絕情況下，設備地會發(fā)揮重要作用。在這種情況，設備地到電極的距離對可能的最大檢測距離有直接影響。在電池位置、印刷電路板(PCB)地和機械結構設計固定不變的情況下，電極到這些元件的距離應盡量遠，如圖4所示。當可自由改變設備地參考區(qū)域時，可調整(移動或減小)該參考區(qū)域以實現(xiàn)特定的觸發(fā)距離。

傳感器集成電路(IC)的位置

基于下列條件，選擇在何處放置傳感器集成電路。

在下列條件下，將傳感器芯片靠近電極(參照圖5)：

*電極必須很小(例如：20mm×1mm)(有時需要多個電極來圍繞一個射頻發(fā)射器件)

*檢測距離必須遠(檢測距離≈電極邊沿長度)

*通過金屬孔感測

*在擬安放電極的位置附件，有大型金屬件

在下列情況下，將傳感器芯片遠離電極，并在兩者間覆接以屏蔽電纜(見圖5)：

*檢測距離可能較短(檢測距離0.5×電極邊沿長度)

*與所需檢測距離相比，電極尺寸可能較大

*電極附近無大型金屬結構件

*傳感器IC可以補償由屏蔽電纜引入的電容性負載

圖5：不同傳感器IC布局策略描述。

電容式傳感器在測量接近信號電平時，會受到溫度變化的影響。一般的建議是將傳感器IC安放在隔絕板上，以保護集成電路和敏感線路不受快速溫度變化的影響。

電極位置

電極位置是個關鍵的設計要素。電極放置區(qū)域通常預先由射頻(RF)天線的布局策略決定。在此區(qū)域內安放傳感器電極對有效的非迭代設計很重要。設備通常具有纖薄外形，后蓋、前屏。

該設備通過了所有角度的最小觸發(fā)距離的SAR測試。薄邊(如圖6)通常可作為評判最小觸發(fā)距離的參照。雖然進行了補償，電極(電極對地耦合)的電容性負載會減小觸發(fā)距離，特別是對遠距(>20mm)接近觸發(fā)距離來說?；诖耍詈檬窃陔姌O尺寸(在電極盡可能靠近設備邊緣條件下)和對SAR測試來說其它要素間找到最佳的折中辦法。圖7顯示了以不同角度(A、B和C)進行SAR測試的情況，突顯了電極位置的重要性。

圖6：(a)側剖視圖描述;(b)電極焦點區(qū)域描述。

圖7：相對于假想體測試角的電極焦點區(qū)域。

電極應圍繞射頻天線以提供一個可實際保護用戶的方案。另外，還在部分天線覆蓋以假想體、部分天線裸露的情況下，對設備進行了測試，如圖8所示。

圖8 ：SAR測試表明需要用電極圍繞天線

故障排除

增加觸發(fā)距離：一般的建議是基于最佳觸發(fā)距離設計電極方案，同時至少留出一個更敏感的閾值選項?？赏ㄟ^如下三種方法增加觸發(fā)距離：

在進行SAR測試的任一側加大電極尺寸。在SAR測試時，在與假想體發(fā)生更大耦合的同時并不會顯著增加與設備地的耦合，所以這種影響成為延長觸發(fā)距離的有效方法。

增加與設備外圍部分的耦合。用粘合劑安固電極會消除空氣間隙，并通過將其向具有較少約束性介電特性的介質靠攏來優(yōu)化電容場的影響。建議采用定距件(spacer element)以防止機械不穩(wěn)定性。

提高檢測速度，使其更接近典型的人類行為。根據(jù)方案中使用的算法，此舉可能會加大觸發(fā)距離(具體表述：毫米/秒)。

射頻干擾：在進行涉及RF和電容式感應頻率的綜合測試時，可通過如下方法盡可能降低干擾：

進行干擾測試時，將用于測試的裝置盡可能靠近待測的最終產品。記?。核蓄~外的連線都會作為射頻能量的接收器。雖然一個串聯(lián)電阻通?？墒闺娙菔絺鞲衅鲗ι漕l干擾具有一定免疫力，但當采用長的非屏蔽導線時，電源線可以會受到射頻干擾。

結論

signal-to-noise ratio can be achieved.遵照此處提到的指導原則，可以用最短的設計周期、無需使用過于敏感的接近閾值來實現(xiàn)電容式接近傳感器。通過為特定設備優(yōu)化電極設計、加之對參考地的考慮，可獲得具有良好信噪比的定向接近場。