電容傳感技術(shù)使智能家電更智能

作者/ Greg Kuchuris Molex印刷型電路解決方案市場(chǎng)經(jīng)理

摘要：本文介紹了電容傳感器技術(shù)在智能家電中的應(yīng)用，以及基于 PEDOT 的電容技術(shù)方案及其應(yīng)用。

　　在這個(gè)智能連接的時(shí)代，即使是家用電器也在積極地參與其中。電子解決方案和設(shè)計(jì)策略的范疇不斷拓展，協(xié)助制造廠商開(kāi)拓創(chuàng)新，推出各種精巧的智能家電。下一代電容技術(shù)可以帶來(lái)更高的自由度，以經(jīng)濟(jì)節(jié)省的方式來(lái)整合起各種增強(qiáng)功能，提高家用電器的功能性和娛樂(lè)性，滿(mǎn)足當(dāng)下社會(huì)以技術(shù)為中心的家庭消費(fèi)者的需求。

固態(tài)電容液位傳感技術(shù)

　　液位傳感對(duì)于一系列現(xiàn)代化的家用電器來(lái)說(shuō)是一種核心技術(shù)。浸沒(méi)式機(jī)械系統(tǒng)在傳統(tǒng)上一直服務(wù)于這一領(lǐng)域，用于制冰機(jī)、洗碗機(jī)、洗衣機(jī)、水過(guò)濾系統(tǒng)及飲料售賣(mài)機(jī)等。這類(lèi)系統(tǒng)中使用的傳感器、浮子和開(kāi)關(guān)都浸沒(méi)在液體當(dāng)中，這會(huì)造成過(guò)度的磨損、腐蝕，甚至是交叉污染。傳統(tǒng)的機(jī)械流體傳感系統(tǒng)存在局限，使用標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形或矩形的儲(chǔ)罐才能得到一致的測(cè)量結(jié)果。長(zhǎng)時(shí)間不斷地與流體接觸會(huì)使機(jī)械精度降低，并且縮短傳感器的壽命。

　　對(duì)于尋求更好的設(shè)計(jì)策略的家用電器制造商來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在可以使用電容式液位傳感器來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。電容式傳感器可以保證精準(zhǔn)的液位測(cè)量結(jié)果，同時(shí)提高精度，并降低設(shè)置成本，采用了定制的端對(duì)端解決方案，校準(zhǔn)軟件安裝簡(jiǎn)便。這一技術(shù)提高了設(shè)計(jì)的靈活性，與傳統(tǒng)的機(jī)械式系統(tǒng)相比，電器的操作也更加耐久、效率更高。電容式液位傳感器采用了與智能手機(jī)屏幕相同的基本概念，對(duì)手指的觸摸做出響應(yīng)的傳感器，可以方便地安裝在容器的外部，通過(guò)幾乎任何非金屬材料都可對(duì)流體或顆粒材料進(jìn)行測(cè)量?？梢圆捎枚ㄖ频脑O(shè)計(jì)，并且針對(duì)從自動(dòng)飲料出售機(jī)到洗碗機(jī)在內(nèi)的一系列家用電器應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。電容式液位傳感器采用了固態(tài)設(shè)計(jì)，不含任何運(yùn)動(dòng)的部件，無(wú)需浸沒(méi)在儲(chǔ)罐內(nèi)，因此，產(chǎn)品壽命更長(zhǎng)，而測(cè)量結(jié)果也更加精確。

　　傳統(tǒng)的印刷電路板可以用于安裝在平面安裝儲(chǔ)罐上的電容式液位傳感器，而超薄的聚酯或聚酰亞胺柔性電路則更適用于罐體表面彎曲或者空間受限的應(yīng)用。采用柔性電路后，設(shè)計(jì)人員可以選擇使用非傳統(tǒng)形狀的儲(chǔ)罐來(lái)優(yōu)化可用空間。電容式液位解決方案一般包含優(yōu)化的嵌入式軟件，在配置后可以自動(dòng)校準(zhǔn)，方便安裝，或者采用手動(dòng)校準(zhǔn)來(lái)達(dá)到高精度?？梢詫⒁慌_(tái)獨(dú)立的電容式液位傳感器作為點(diǎn)傳感器來(lái)提示在液罐中的給定液位位置是否存在流體?；蛘?，在高低液位處同時(shí)使用兩臺(tái)傳感器可以觸發(fā)補(bǔ)充液位，在達(dá)到所需的液位后再關(guān)閉液流，從而對(duì)儲(chǔ)液器中的流體進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　電容式液位傳感器的輸出接口可包含 USB、I2C 或離散信號(hào)，具體則與應(yīng)用有關(guān)。在結(jié)合了微處理器使用后，傳感器可以無(wú)線(xiàn)方式將信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送到控制單元。隨著越來(lái)越多的家用電器與家用系統(tǒng)都在通過(guò)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 連接到用戶(hù)的設(shè)備，從而簡(jiǎn)化維護(hù)功能，電容式液位傳感器提供了一種使能的技術(shù)，可以提醒更換過(guò)濾器或添加液體，并且增強(qiáng)了為家務(wù)安排時(shí)間之類(lèi)的功能，還可以直接連接到制造商處，詢(xún)問(wèn)有關(guān)維護(hù)的問(wèn)題并且進(jìn)行軟件更新。

高效的電容式用戶(hù)界面

　　高品質(zhì)的功能與設(shè)計(jì)可產(chǎn)生良好的第一印象。在家電設(shè)計(jì)中，電容式觸摸屏現(xiàn)在的發(fā)展速度已經(jīng)超過(guò)了配有雜亂的按鈕和開(kāi)關(guān)的機(jī)械界面以及電阻式觸摸功能。這是由于電容式技術(shù)在整體上具有更高的可靠性，提供更加直觀的用戶(hù)界面。從品牌塑造的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，許多制造商現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向電容式觸摸屏，因?yàn)橛|摸屏的設(shè)計(jì)更加具有吸引力、博人眼球，為消費(fèi)者提供一種“貨真價(jià)實(shí)”的感覺(jué)。定制的電容式觸摸屏可以整合并結(jié)合多種開(kāi)關(guān)形式與布局，包括離散開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)開(kāi)關(guān)、滾輪等，還可以結(jié)合起觸摸式及非觸摸式的產(chǎn)品。

　　環(huán)境因素對(duì)于設(shè)計(jì)、材料的選擇以及制作來(lái)說(shuō)也是重要的考慮事項(xiàng)。盡管大多數(shù)家庭中的環(huán)境都相對(duì)穩(wěn)定，電器往往會(huì)受到每天溫濕度變化的影響，此外還有頻繁的使用，以及消費(fèi)者不經(jīng)意的錯(cuò)誤使用，都會(huì)造成影響。選用印刷電路板、聚酰亞胺，還是聚酯基板將取決于具體應(yīng)用。其中每一種選擇都將帶來(lái)獨(dú)一無(wú)二的設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)、制造成本，以及在電容接口上的操作限制。

　　基于電容式觸摸的應(yīng)用正在日益流行起來(lái)，以導(dǎo)電銦錫氧化物 (ITO) 為基礎(chǔ)構(gòu)建的技術(shù)具有其固有的弱點(diǎn)(易碎、不易彎曲，并且形成圖案的成本較高)，這樣就促使著對(duì)替代材料的尋找，這類(lèi)替代材料應(yīng)具有較高的透光率、相似的電阻率且便于加工，而總應(yīng)用成本卻要低得多。在這些替代材料中，導(dǎo)電聚合物正在引起越來(lái)越多的關(guān)注。PEDOT 是 Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) 這一化學(xué)名稱(chēng)的首字母縮略詞，作為一種極具潛力的材料，具有絕佳的電化學(xué)性質(zhì)、熱特性以及解決方案的加工特性，是電容式開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的理想選擇。這種高分子混合物無(wú)色且溶于水，一般作為水中懸浮的凝膠顆粒的分散劑使用。在基板表面上絲網(wǎng)印刷一層這種分散劑，然后再通過(guò)加熱干燥其中的水分，即可形成電導(dǎo)開(kāi)關(guān)。PEDOT 分散劑可以作為涂層應(yīng)用在一系列成型基板或柔性基板上，包括 PET、PC、PMMA、玻璃或者其他材料。

　　PEDOT 混合物具有良好的粘附力，以極高的化學(xué)穩(wěn)定性、光透明性以及導(dǎo)電率而見(jiàn)長(zhǎng)。采用這種化合物開(kāi)發(fā)出了特別衍生的配方，可以滿(mǎn)足背光電容式按鍵、滑塊和滾輪輸入之類(lèi)光學(xué)應(yīng)用高度嚴(yán)格的要求。該技術(shù)已部署到各類(lèi)穩(wěn)健的汽車(chē)應(yīng)用當(dāng)中，在塑料擋板后部使用。PEDOT 可用作背光觸摸開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電墨水，以更低的成本實(shí)現(xiàn)低外形而又易用的接口。PEDOT 電路可以做到透明，具有極佳的柔性(易于彎曲)。不需要焊接工藝(因此可降低應(yīng)用成本)，并且具有柔性電路特有的低外形。多功能的 PEDOT 應(yīng)用還可為精密的觸控面板提供定型的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式和印刷電路板式電容開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，基于 PEDOT 的電容技術(shù)在家用電器和其他消費(fèi)品應(yīng)用中具有更多的優(yōu)勢(shì)?；?PEDOT、完全合格的電容式解決方案與標(biāo)準(zhǔn)的 ITO 基板相比可節(jié)省可觀的成本。對(duì)于背光電容式觸摸按鍵來(lái)說(shuō)，將易用的控制功能和圖標(biāo)整合到基于 PEDOT 開(kāi)關(guān)的可能性幾乎是無(wú)限的，這樣就更有助于設(shè)計(jì)出更加智能、經(jīng)濟(jì)且美觀的產(chǎn)品。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第25頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。