影響傳感器響應(yīng)的因素分析

電容檢測有可能取代消費電子設(shè)備中現(xiàn)有的用戶輸入機制。適合采用電容檢測的產(chǎn)品很多，包括手機、數(shù)碼相機、MP3播放器和其他便攜式媒體播放器等。通過電容檢測，用戶可以獲得比標準機械輸入技術(shù)更加靈敏、控制功能更強的界面。

ADI 公司的電容檢測解決方案包括三個部分：AD7142電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 IC、PCB上的傳感器，以及與AD7142通訊的軟件。該方案包括一個連接至發(fā)射器的激勵源，發(fā)射器則向接收器產(chǎn)生電容場。接收器上測得的電容場通過∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字域。當(dāng)手指之類的接地物體接近感應(yīng)電容場時，接收器上測得的總電容會減少。激勵源和∑-△CDC由AD7142實現(xiàn)，發(fā)射器和接收器則構(gòu)建在傳感器PCB上。

傳感器PCB連接在成品的外殼或覆蓋材料下方。電容場在傳感器PCB上方約4 mm，也位于傳感器PCB上方任何覆蓋材料的上方。這種傳感器設(shè)置的優(yōu)勢之一在于，用戶不會直接接觸傳感器PCB，因此不會磨損傳感器。

外殼或覆蓋材料外殼類消費電子產(chǎn)品（如MP3播放器、數(shù)碼相機和手機）由各種材料制成。塑料或玻璃等材料適合用作電容檢測的覆蓋材料，金屬則不行。

電容傳感器響應(yīng)取決于三大因素：

●傳感器元件的尺寸和類型

●接觸傳感器的物體尺寸

●覆蓋材料的厚度和類型

每一種因素都會影響傳感器被物體接觸時CDC測量到的變化幅度。若CDC輸出變化很小，就很難區(qū)分傳感器接觸和傳感器未接觸的情況。本應(yīng)用筆記詳細說明每種因素對傳感器響應(yīng)的影響，可用作確定傳感器配置尺寸和形式，以及覆蓋材料規(guī)格的指導(dǎo)原則。

圖1：電容檢測

影響傳感器響應(yīng)的因素

傳感器元件

傳感器元件的尺寸決定了發(fā)射器和接收器之間感應(yīng)電容場的大小。傳感器元件越小，干擾的電容場也越小。如果傳感器元件太小，傳感器受到接觸時，CDC測得的電容變化就會不夠大。

傳感器元件類型也很重要。對按鈕傳感器而言，只需要開/關(guān)或接觸/不接觸這些信息。按鈕能夠承受一些傳感器響應(yīng)的損失，只要能夠確定是否接觸到按鈕。但是，滾動條傳感器則必須輸出與滾動條長度相關(guān)的位置數(shù)據(jù)。減少滾動條的傳感器響應(yīng)會減少CDC代碼（用以描述滾動條的完整通過數(shù)據(jù)）的數(shù)量，因此會影響滾動條傳感器位置數(shù)據(jù)的分辨率和精度。

接觸傳感器的物體

對所有應(yīng)用而言，接觸傳感器的物體是接地的手指或手。然而，接觸傳感器的物體尺寸并不固定，手指尺寸因人而異，即使是同一個人也可能會用不同的手指來激活傳感器。消費電子器件設(shè)計時必須考慮各種手指尺寸，以確保每個人都能順利操作器件。

任何接地物體都能激活A(yù)DI公司的傳感器。本應(yīng)用筆記在數(shù)據(jù)收集實驗中采用接地金屬探頭來模擬手指，用直徑5 mm、10 mm和15 mm的三種探頭來模擬不同的手指。

覆蓋材料

必須仔細檢查覆蓋傳感器的材料屬性。電容場在傳感器PCB上方約4 mm至5 mm，它必須在任何覆蓋材料上方，從而確保傳感器正常工作。材料不能吸收太多的電容場。某些類型的塑料導(dǎo)電性較強，通過的電容場較多。表1列出了各種塑料聚合物的損耗因數(shù)。損耗因數(shù)是衡量材料損耗程度的指標。損耗因數(shù)越低，通過材料的電容場就越多。

表1.

玻璃也是一種合適的覆蓋材料。但是，金屬不能用作覆蓋材料。在本應(yīng)用筆記中，傳感器PCB的覆蓋材料為厚度0.5 mm至4 mm的ABS。

按鈕傳感器

按鈕傳感器是最簡單的傳感器元件。按鈕的形狀可以是圓形、方形或定制形狀。按鈕傳感器可以是5 mm × 5 mm以上的任何尺寸。圖2所示為典型按鈕傳感器設(shè)計。

圖2：按鈕傳感器

按鈕傳感器響應(yīng)

收集典型按鈕傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)采用10 mm × 10 mm的按鈕傳感器來實現(xiàn)。為了模擬用戶的手指，采用了各種尺寸的接地金屬探頭來激活按鈕。傳感器PCB位于厚度為0.5 mm至4 mm的塑料下方。傳感器響應(yīng)定義為傳感器接觸和未接觸狀態(tài)下CDC輸出代碼的變化。

圖3所示為從CDC測量到的輸出數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)表明，傳感器響應(yīng)隨塑料厚度的增加而減少。CDC輸出降至500個碼以下時，按鈕傳感器的響應(yīng)會不夠。此時很難區(qū)分真正的傳感器激勵和CDC代碼中的噪聲。10 mm按鈕可配合上方大至4 mm的塑料使用。傳感器越小，響應(yīng)越小。對5 mm的按鈕而言，傳感器響應(yīng)可降至約500個碼。對5 mm按鈕而言，建議采用2 mm或以下的覆蓋塑料來確保傳感器正常工作。

另外值得注意的是探頭尺寸對傳感器響應(yīng)的影響。較小的探頭只能少量降低接收器上測得的電容。手指尺寸的影響也是一樣，手指越小，傳感器響應(yīng)也越小。