開電場(E-Field)傳感技術(shù)的面紗

　　當(dāng)法拉第(Michael Faraday)引入電場的概念時(shí)，他遠(yuǎn)沒有意識(shí)到這個(gè)概念會(huì)對(duì)科學(xué)產(chǎn)生多大的推動(dòng)作用?，F(xiàn)在，工程師使用電場來感應(yīng)其它物體的存在，而不需要實(shí)際的接觸。目前，我們所說的電場傳感器或電容傳感器正在變得日益普及，用于各種低成本的長期應(yīng)用。當(dāng)您更加詳細(xì)地了解他們的工作原理時(shí)，您就會(huì)很快明白，它們的普及程度為什么在不斷提高。

　　電容傳感器的原理

　　當(dāng)外界物理?xiàng)l件發(fā)生變化時(shí)，電容傳感器也會(huì)產(chǎn)生電容變化。某些電容傳感器通過生成電場和測量電場的衰減來測量變化。電容傳感器與電感傳感器有所不同，后者只能檢測金屬物體，而電容傳感器則能檢測傳感器電極周圍的任何物體，無論是導(dǎo)體，還是各種絕緣體。巧合的是，人體正好就是電場成像的很好對(duì)象，因?yàn)槿梭w中的大部分物質(zhì)都是水，介電常數(shù)很高，還包含了離子物質(zhì)，這些物質(zhì)使人體成為很好的電導(dǎo)體。

　　傳感器集成電路(IC)中的震蕩器電路，如飛思卡爾MC34940電場成像設(shè)備，可以生成高純度的低頻5V正弦波，并可由外部39KW負(fù)荷電阻調(diào)節(jié)。該交流信號(hào)傳輸?shù)蕉嗦窂?fù)用器，并由多路復(fù)用器將信號(hào)定向到選定電極(MC34940支持7個(gè)電極)或參考針腳，或定向到內(nèi)部測量節(jié)點(diǎn)。集成電路可自動(dòng)將未選節(jié)點(diǎn)與電路地連接，作為生成電場電流所需的回傳路徑。

　　當(dāng)物體—例如介電常數(shù)很高的人體的手指—近金屬電極時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)電流路徑(electric path)，電場電流就會(huì)發(fā)生變化。傳感器可以測量所生成的電場的交流電阻，并將測量值轉(zhuǎn)化為直流輸出電壓。然后，外部微控制器就可以處理這種信息，以執(zhí)行任何功能，例如與觸摸控制板相關(guān)的功能。電容接觸感應(yīng)因其具有更高的可靠性(沒有移動(dòng)部件)、更大的設(shè)計(jì)自由度、更時(shí)尚的外觀，而倍受設(shè)計(jì)人員的青睞。



　　與其它方法(例如測量RC震蕩器的周期或頻率)相比，電容傳感器測量交流電阻的方法可以提供更加準(zhǔn)確的讀數(shù)。另外，它可以通過生成純粹的正弦波，而不是方波，因此信號(hào)干擾就不會(huì)成為問題。

　　電容傳感器的實(shí)際應(yīng)用

　　在各種工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品中，我們都可以找到電容傳感器的身影：PC外圍設(shè)備、醫(yī)療病人監(jiān)控器、冰箱除霜傳感器、銷售點(diǎn)終端、車庫大門安全傳感器。最常用的易于了解的應(yīng)用是觸摸屏和觸控面板解決方案。不太明顯但同樣非常適合電容傳感器的應(yīng)用是液面感應(yīng)。

　　觸控面板—觸控面板電場感應(yīng)的基本原理在上面的圖3已經(jīng)概要說明。在開發(fā)觸控面板解決方案時(shí)，要考慮三個(gè)重要問題：

　　* 觸控面板的電極設(shè)計(jì)和布局

　　* 觸控面板表面的不同絕緣材料

　　* 不同環(huán)境條件對(duì)電場測量的影響。

　　上述三個(gè)考慮因素之間的關(guān)系如下列方程所示。

　　電極大小和間隔之間的關(guān)系會(huì)影響電極在第三個(gè)方向上傳感物體的能力(圖3 )。更大的電極有更大的范圍和傳感度，但更容易受到周圍環(huán)境中的干擾、電子噪音和雜散電場路徑的影響。同樣，電極之間的空間更大，就會(huì)產(chǎn)生更大的電場，但會(huì)減弱信號(hào)。對(duì)于觸控面板應(yīng)用來說，觸控板只需適合指尖就行，限制了電極的尺寸以及電極之間的間隔。

　　在觸摸板表面使用的絕緣材料的有效性取決于其厚度和介電常數(shù)。一般來說，觸控面板上的絕緣體應(yīng)該盡可能薄，介電常數(shù)要盡可能高。但是，厚板的介電常數(shù)可能會(huì)增加，因?yàn)樗粔嚎s了，這就意味著氯丁橡膠等物質(zhì)可以提供高出預(yù)期的傳感靈敏性。

　　在設(shè)計(jì)觸控面板應(yīng)用時(shí)，您還必須考慮環(huán)境的影響。指尖上的油不可能產(chǎn)生很大的影響，而水卻會(huì)影響觸摸板，可能是由于水的介電常數(shù)較高，產(chǎn)生從手指到其它電極的更大電流路徑。將觸控面板之間隔開更大距離，可以減少這種影響，另外還可以設(shè)計(jì)一些應(yīng)用，不讓水聚集在接觸板上，這也會(huì)有所幫助，特別是對(duì)戶外應(yīng)用。

　　隨著觸控面板顯示屏的老化，溫度和濕度可能逐漸降低電容器性能。您也可以設(shè)計(jì)電容傳感器來彌補(bǔ)該缺陷。例如，飛思卡爾的MC33794電場傳感器依賴于兩個(gè)參考輸入，一個(gè)連接到接近最大電容的電容器，而另外一個(gè)連接到接近最小電容的電容器。這些參考電容可用于糾正環(huán)境導(dǎo)致的電極測量錯(cuò)誤，或糾正其它與組件相關(guān)的變化。

　　液面感應(yīng)—以一個(gè)簡單設(shè)計(jì)為例，它使用電場感應(yīng)來測量液面，在水容量中放置垂直的電極條，從而在水容器的墻壁之間形成垂直電容器?？杖萜餍纬闪艘粋€(gè)電容器。當(dāng)您注入水時(shí)，就將電容器一分為二：一個(gè)充滿了空氣(介電常數(shù)為1)，而另一個(gè)充滿了水(介電常數(shù)為80)。使用一種簡單算法，您可以確定液體的高度。但遺憾的是，在洗衣機(jī)等應(yīng)用中，這種系統(tǒng)無法補(bǔ)償不同的介電屬性，因?yàn)樵谧⑷肭鍧崉r(shí)，灰塵和其它雜物都開始出現(xiàn)。

　　更先進(jìn)的電容系統(tǒng)使用傾斜電極，這種方案采用兩塊厚度變化的電容板，相互重疊。隨著液位升高，電極的不同面積將會(huì)接觸到水。您就可在它們中間提取一個(gè)唯一比率。這個(gè)比率與液面直接相關(guān)，而觸水面積的絕對(duì)值就可以提供介電數(shù)據(jù)信息，您可以使用該信息，估計(jì)水中的肥皂和臟物含量。

　　物體遠(yuǎn)近感應(yīng)—

　　電場感應(yīng)的第三個(gè)常見用途是檢測物體遠(yuǎn)近。電容器模型方程(圖2)表明，電容與兩塊電容板之間的距離成反比。在普通應(yīng)用中，將一個(gè)導(dǎo)電電極板作為一塊電容板，并將想測量的物體作為另一塊電容板。

　　由于距離和電容之間的關(guān)系是漸近的，所以這種傳感器更適合需要近距離內(nèi)的高分辨率的應(yīng)用。在一般室內(nèi)環(huán)境中，飛思卡爾的MC34940使用1平方英尺的板作為電極，能夠在12英寸的距離內(nèi)檢測到手的存在?？梢圆捎眠@種技術(shù)的典型應(yīng)用包括門禁控制、安全和喚醒解決方案。

　　多個(gè)電極和屏蔽驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　電場傳感器，如飛思卡爾的MC33794和MC34940能夠支持多個(gè)電極，提供一個(gè)平臺(tái)，通過一顆芯片控制幾個(gè)應(yīng)用，即使這些應(yīng)用非常分散。由于電極信號(hào)通過電線或同軸電纜，將電極信號(hào)傳輸?shù)絺鞲衅骷呻娐罚?，外部干擾會(huì)減弱這些信號(hào)。為了減少這種干擾，飛思卡爾在組件的每個(gè)部分安裝了屏蔽驅(qū)動(dòng)。

　　屏蔽驅(qū)動(dòng)電路為電極的返回交流信號(hào)提供了一個(gè)緩沖版本，因?yàn)樗c電極信號(hào)具有幾乎相同的振幅和相位，并且在兩個(gè)信號(hào)之間幾乎沒有差別，所以消除了電場。實(shí)際上屏蔽驅(qū)動(dòng)隔絕了電極信號(hào)與外部虛擬場，導(dǎo)致對(duì)遠(yuǎn)程電極的測量好象在IC附近的測量一樣準(zhǔn)確(圖5 )。常見的應(yīng)用是將屏蔽驅(qū)動(dòng)與共軸電纜屏蔽相連，此電纜用于將電極與相應(yīng)的電極終端連接。

　　屏蔽驅(qū)動(dòng)技術(shù)的另一種常見應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)一個(gè)陣列觸摸傳感器電極之后的磁場板，從而消除會(huì)減弱交流信號(hào)的虛擬場(圖6頁)。屏蔽驅(qū)動(dòng)限制了信號(hào)在干涉場的丟失，從而確保潛在的強(qiáng)大電場。在觸控面板中，這增加了觸控面板的敏感度。

　　借助屏蔽驅(qū)動(dòng)技術(shù)，開發(fā)者可以實(shí)現(xiàn)多功能性。它可以使用最少數(shù)量的電場傳感器集成電路(MC33794支持9個(gè)電極，而MC34940支持7個(gè)電極)來驅(qū)動(dòng)各種不同的應(yīng)用。此外，它還可用于設(shè)計(jì)較大的單獨(dú)電極陣列來執(zhí)行相同的功能。例如智能地板可以感應(yīng)住戶，甚至追蹤他們的動(dòng)作?？蓪㈦妶龈袘?yīng)與無線協(xié)議(如ZigBee技術(shù))相結(jié)合，將控制應(yīng)用的范圍擴(kuò)展到局域網(wǎng)，帶來無窮無盡的應(yīng)用機(jī)會(huì)：安全、照明、集成娛樂系統(tǒng)控制和接近檢測等，充分利用電場傳感技術(shù)的便利性和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。