電容式傳感器的工作特點及應(yīng)用實際

好像在突然之間，電容式傳感器就無處不在了。它被安裝在汽車座位里以控制氣囊配置和安全帶預(yù)緊裝置，在洗碗機(jī)和干燥機(jī)中以校正旋轉(zhuǎn)桶的狀態(tài)，甚至冰箱也使用其來控制自動去冰過程。但是直到現(xiàn)在，它最大的潛在應(yīng)用領(lǐng)域還是觸摸開關(guān)，觸摸開關(guān)已越來越多地出現(xiàn)在消費電子產(chǎn)品中。?
因為混合信號IC工藝得到廣泛的采用，這種技術(shù)允許芯片設(shè)計師優(yōu)化芯片的模擬和數(shù)字子系統(tǒng)，以構(gòu)建具有前所未有的靈敏度和耐用性的電容式傳感器，而且成本是機(jī)械式開關(guān)所不能比擬的。

如何工作

電容式傳感器基本上可以分成三類：電場傳感器、基于弛張振蕩器的傳感器以及電荷轉(zhuǎn)移（QT）器件。電場傳感器通常會產(chǎn)生數(shù)百kHz的正弦波，然后將這個信號加在電容一個極板的導(dǎo)電盤上，并檢測另外一個導(dǎo)電盤上的信號電平。當(dāng)用戶的手機(jī)或另外的導(dǎo)體對象接觸到兩個盤的時候，接收器上的信號電平將改變。通過解調(diào)和濾波極板上的信號，可能獲得一個直流電壓，這個電壓隨電容的改變而變化；將這個電壓施加在閾值檢測器上，即可以產(chǎn)生觸摸/無觸摸的信號。

弛張振蕩器使用了一個電極盤，其上的電極電容構(gòu)成了鋸齒波振蕩器中的可變定時單元。通過將恒定電流饋入到電極線，電極上的電壓隨時間線性增加。該電壓提供給比較器一個輸入，而比較器的輸出連接到一個與電極電容并行連接的接地開關(guān)上。當(dāng)電極電容充電到一個預(yù)先確定的閾值電壓時，比較器改變狀態(tài)，實現(xiàn)開關(guān)動作—對定時電容放電，打開開關(guān)，這個動作將周期性的重復(fù)下去。其結(jié)果是，比較器的輸出是脈沖串，其頻率取決于總的定時電容的值。傳感器根據(jù)不同的頻率改變來報告觸摸/無觸摸狀態(tài)。

QT器件利用了一種稱為電荷保持的物理原理。舉例來說，開關(guān)在一個短時間內(nèi)施加一個電壓到感應(yīng)電極上對其充電，之后開關(guān)斷開，第二個開關(guān)再將電極上的電荷釋放到更大的一個采樣電容中。人手指的觸摸增大了電極的電容，導(dǎo)致傳輸?shù)讲蓸与娙萆系碾姾稍黾?，采樣電容因此改變，?jù)此就能得出檢測結(jié)果。

QT器件在突發(fā)模式采樣之后即進(jìn)行數(shù)字信號處理，這種方法能提供比競爭方案更高的動態(tài)范圍和更低的功耗，而自動校準(zhǔn)例程可以補(bǔ)償因為環(huán)境條件改變帶來的漂移。更重要的是，這種方法足夠靈敏，在電流透過厚的面板時不需要一個參考地連接，因此適合電池供電的設(shè)備。Quantum（量研公司）的QT芯片就是采用這種方法。

應(yīng)用實例

QT芯片出現(xiàn)在一系列具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，如微波爐和爐灶面控制。它在這些應(yīng)用中必須承受很高的濕度、污染挑戰(zhàn)。而便攜式電子產(chǎn)品也經(jīng)常面對這種情況，它們所處的環(huán)境經(jīng)常變化，因此QT傳感器也非常適合這種應(yīng)用。QT傳感器在干擾下的高電阻對于移動設(shè)備來說至關(guān)重要，因為它們附近經(jīng)常有很強(qiáng)的輻射源，如：PC、手機(jī)等。

因為這個原因，QT芯片越來越多地在便攜式設(shè)備中出現(xiàn)。很多領(lǐng)先的亞洲OEM廠商都采用了這種技術(shù)，包括DEC、JWDigital、松下和Microstar。例如，在JWM-8110閃存播放器中就采用了QT1080，而Microstar在其MegaPlayer536MP3播放器中采用了QT1101。這些芯片可以工作在2.8～5.5V電源電壓下，吸收的電流大約為40μA，專門針對移動電子產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化，采用了5mm×5mm×0.8mmQFN封裝，這種封裝是空間有限的手機(jī)和遙控設(shè)備所必需的。

QT1080支持8個獨立的按鍵通道，QT1101支持10個通道。兩個芯片都包括鄰近按鍵抑制（AKSTM）功能，可以確保芯片正確地識別手指的位置。這個概念很簡單，通過比較鄰近按鍵的信號電平來確定最大值，這樣就能確定“真正的”手指位置。設(shè)計者可以自行選擇是否啟用AKS功能。QT1080利用一個硬件狀態(tài)線連接每個輸入通道，而QT1101通過一個串行連接輸出。像所有的QT芯片一樣，這兩種方法都利用擴(kuò)譜搜索自動校準(zhǔn)，使噪聲抑制最大化。

一般可用多輸入通道實現(xiàn)滑動按鍵或旋轉(zhuǎn)按鍵，而專用的QT系列芯片只用三個分辨率為7位（128點）的通道就能實現(xiàn)高分辨率線性滑動或旋轉(zhuǎn)界面。例如QT511（該芯片的主要目標(biāo)應(yīng)用也是便攜式電子產(chǎn)品）使用三個感應(yīng)通道來驅(qū)動通用電氣公司的一位發(fā)明家于1978年設(shè)計的電極圖形，可返回一個128點的結(jié)果。

其他可能性

很多設(shè)計師都利用QT芯片來替代電阻式觸摸屏。因為該方法只需要將單透明層鋪設(shè)在屏幕上用于感測，與多層電阻式技術(shù)相比，對光線的吸收大大降低。OEM廠家還使用多通道傳感器來實現(xiàn)可編程的不透明觸摸表面，面板的配置由軟件來調(diào)配，這能幫助降低材料成本。同樣的辦法還為用戶依據(jù)個人喜好配置觸摸屏提供了可能，用戶可從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器下載規(guī)格，或者自己運行一個配置程序。

這種技術(shù)打開了很多應(yīng)用之門，例如使用了平面位置檢測QT器件，終端用戶在移動電話的數(shù)字鍵盤上移動就可以輸入中文或其他復(fù)雜字符。但是這種技術(shù)的最大應(yīng)用是平面坐標(biāo)觸摸屏，在這種應(yīng)用中，下表面感測薄膜可以替代電阻式屏，而單層薄膜獲得高透明度和低成本，不需要在前面板中開孔。

如果現(xiàn)有的QT硬件不能滿足客戶的需求，用戶可選用帶有可編程MCU內(nèi)核的芯片。定制應(yīng)用實例包括Jenn-AirAttrezzi食品攪拌機(jī)，QT芯片在這個設(shè)備中負(fù)責(zé)監(jiān)測用戶的輸入，并控制功率三端雙向可控硅開關(guān)，通過一個過零同步開關(guān)來使EMC問題最小化。