電容式感應(yīng)工作原理及設(shè)計分析

電容式感應(yīng)的工作原理

那么，電容式感應(yīng)的工作原埋是什么呢?下面的示意圖顯示了1個電容式感應(yīng)按鈕的橫截面。如圖所示，在外覆層材料之下，存在導(dǎo)電的銅塊區(qū)域和導(dǎo)電的傳感器。在2個導(dǎo)電元件相互之間靠得很近時，就會產(chǎn)生一個電容值，本圖中標(biāo)為Cp，這個電容值是由于傳感器墊板與接地板之間的耦合現(xiàn)象而形成的。Cp屬于寄生電容，典型數(shù)量級任10pF至300pF。傳感器與接地板靠近時也會形成一個邊緣電場，這個電場能夠穿透外覆層?；旧?，人體組織也屬于導(dǎo)電體。將一根手指放存邊緣電場附近時，就會增加這個電容系統(tǒng)的導(dǎo)電表面面積。

但是，這個在圖中標(biāo)為CF的附加手指電容值的數(shù)量級在0.1pF至10pF。雖然一根于指的存在會導(dǎo)致電容發(fā)生變化，但與寄生電容相比，該變化的幅度是相當(dāng)小的。而傳感器的測得電容值稱為CX。在沒有手指存在的情況下，CX基本上等于CP。而在于指存在時，CX則為CP和CF的和。

圖1 手指電容值

電容式感應(yīng)的設(shè)計方案

在我們了解了電容式感應(yīng)的工作原理后，如何開始設(shè)計某一特定產(chǎn)品的電容式感應(yīng)界面呢?我們重點要考慮到設(shè)計方案的需要。這個產(chǎn)品將用在什么地方?使用環(huán)境嚴(yán)苛嗎?這項 設(shè)計中最重要的因素是電池的使用時間還是產(chǎn)品的耐久性?不同的因素對設(shè)計方案的影響也各不相同。

根據(jù)正在設(shè)計的產(chǎn)品類型，功耗可能是關(guān)鍵因素，也可能不是關(guān)鍵因素。例如，在由電池供電的手持設(shè)備上，功耗具有極為重要的意義。而一種對
整體平均功耗即電池使用時間進行控制的方式是設(shè)立3個不同的工作區(qū)域。 一個工作區(qū)域是快速響應(yīng)區(qū)，這個區(qū)域內(nèi)的每個傳感器每200微秒掃描一次。系統(tǒng)會在按鈕和滑動觸摸處于連續(xù)操作狀態(tài)下進入這一區(qū)域。在操作很少或無操作時，系統(tǒng)可以進入一個慢速響應(yīng)區(qū)，將掃描頻率減少到大約每100毫秒1次。最后，如果在很長時間內(nèi)沒有操作，則系統(tǒng)可以進入深度休眠模式，從而節(jié)省電力。通過實現(xiàn)節(jié)能、慢速響應(yīng)模式，在便攜手持設(shè)備每100秒掃描3個按鈕的情況下，系統(tǒng)的耗電量可以低于50μA的平均電流。

在當(dāng)今的電子產(chǎn)品領(lǐng)域，噪聲也成為另-項重要的考慮因素。各類感應(yīng)噪聲，諸如來自電力線路的噪聲，以及來自移動手機或日光燈的輻射噪聲，無時無刻不存在，所以必須加以考慮。為了進行有效防范，我們的目標(biāo)是增加信噪比，并消除虛假觸摸響應(yīng)。

在設(shè)計信噪比、耐久性、靜電放電抵抗力以及精確度時，所選擇的外覆層材料以及外覆層厚度具有很大的影響。而且，在考慮材料的類型和厚度時，必須根據(jù)產(chǎn)品的需要，在許多方面采取折衷方式。隨著外覆層材料厚度的增加，信號和噪聲兩方面均會減少。但是，外覆層材料越厚，則對于靜電放電的抵抗力就越強。人體的靜電電壓可以高達15 KV，而電容式感應(yīng)系統(tǒng)的外覆層有助于避免集成電路在遭受此類靜電放電時發(fā)生永久性損壞。另一種解決方法是，使用一層聚酰亞胺(Kapton)帶，這種材料在需要超強靜電放電保護的應(yīng)用中能夠發(fā)揮良好的作用。當(dāng)然，外覆層越厚，也就越不容易破裂或者遭到破壞。