触摸传感应用中的接近电容式传感器(Proximity Capacitive Sensor)技术.doc

触摸传感应用中的接近电容式传感器（Proximity Capacitive Sensor）技术接近触摸白皮书Bryce Osoinach,系统和应用工程师触摸传感应用中的接近电容式传感器（Proximity Capacitive Sensor）技术目 录简介3接触电容式传感器概述4电容传感器在触摸传感中的应用5接近电容式传感器的其他应用8多电极和屏蔽驱动技术9总结11接近电容式传感器技术 12 Freescale半导体简介在1831年法拉第（Michael Faraday）发现了电磁感应(Electro-magnetic Induction)。法拉第发现当导线在磁场中移动时，导线内便产生电压。电压和移动的速度是成比例的移动越快，电压越高。今天，感应接近传感器使用电磁感应的法拉第法则来检测导电材料的靠近，而不用和它们实际接触。然而这种传感器的不足是，仅能检测金属导体和不同的金属容器都会影响检测范围。在另一方面，接近电容式传感器坚持相同的原理，但是可以检测任何可导电或具有不同介电性能（dielectric properties）的材料，而不是传感器的电极环境。随着越来越多的用户/机器接口使用触摸传感控制器来可靠地响应命令，接近电容式传感器变得越来越流行。Freescale先进的MPR03和MPR04接近电容式传感器控制器可以在各种控制面板的应用中替代开关和按钮。MPR083设备支持8位置旋转界面应用，而MPR084设备支持高达8个触摸板应用。接触电容式传感器概述接触电容式传感是一项允许触摸检测的技术，通过测量电容，显示电容变化响应周围材料的变化。传感器通过产生一个电极（e-field）并且测量该电极的衰减来测量改变。不像感应传感器，接触电容式传感器可以检测任何可导电或具有不同介电性能的材料，而不是传感器的电极环境。它们是极好的触摸板使能者，因为我们，人类，体内存在的大多数水都有高介电常数（dielectric constant）。并且我们体内包含了离子物质，这使我们成为很好的电导体。Freescale在接触电容式传感器中使用了多种技术。MC33794, MC33941和MC34940系列包括了在传感器集成电路（IC）内的振荡器电路，该电路可以产生高纯度，低频正弦波的5V正弦波，其频率可通过使用39k Ohm的外部电阻来进行调节。多路复用器反馈一个AC信号，使该信号传到一个已选择的电极或参考引脚或内部测量点。IC自动将未选择的节点接地，并且担当需要产生e-field电流的返回路径。当一个物体靠近金属电极时，比如具有高绝缘和可导电的人的一个手指，形成一个电路，在e-field电流上发生改变。通常，传感器测量产生的e-field的AC阻抗并且将测量单位转换成DC输出电压。然后带有模拟数字控制器（ADC）的外部控制器处理该信息完成任何的计算功能，例如那些和触摸控制板相关的。然而我们更先进的MPR083和MPR084接触电容式传感器控制器通过一个具有定制寻址的内部集成电路（I2C）来产生数字输出，因而不要考虑需要外部ADC。图1：接近电容式传感器E-field概念这种测量方法需要RC振荡器技术，该技术使用GPIO检测精确的电压改变。GPIO将按照0.5Vdd从低到高转换，并且触摸检测通过测量延时完成。MPR08X系列的好处包括低功耗和更多智能，传感器算法按照具体的微控制器优化。设备和软件都是高配置，并且可控制可以按照具体的传感器布局设计优化。通过寄存器控制定时，完成低功耗下的精确功率模式控制。由于增强的可靠性（没有可动部分），更大的设计自由度和更现代的外观，接近电容式触摸传感将会很快得到设计者的喜爱。电容传感器在触摸传感中的应用接近电容式传感技术正在蓄势进军工业和消费品产品的应用。MPR083和MPR084使设计者可以有成本效益的替代控制面板应用中的机械按钮和开关。虽然波形因子不同，但都是利用了触摸板技术。触摸板这是一个简化的非接触“区”，检测手指的存在与否。原始的检测输出是一个给出了触摸条件的一个单独位。当开发触摸面板时，有3个重要的事项需要考虑： 触摸板电极的设计和布局 面板表面各种不同的绝缘材料 不同环境条件对e-field测量的影响。这3个事项的关系在下面的等式描述。C=电容，法（F）A=金属板的面积，平方米（m2）d=金属板的距离，米（m）k=隔离金属板的介电常数0=自由空间的电容率（8.8510-12 F/m）图2：电容模型图12-2 模定时器（MTIM）框图电极尺寸和空间的相互作用影响在第三位维感应物体的能力图3。电极越大，范围和灵敏度更大，然而它们更容易受周围环境的干扰，电噪音和杂散电磁的影响。相似地，电极之间的空间越大，产生的e-field越大，但是减弱了信号。在触摸面板应用的例子中，触摸板只需要适应手指的倾斜，限制电极的可用尺寸和它们之间的空间。虚拟地图3：接近电容式触摸传感器类型虚拟地（可能不存在于所有的情况），例如，IB=0单电极 手指和带电电极之间的E-field 假设手指和虚拟地相连多电极 一个电极带电，另一个接地 无手指时，电极和地之间存在着很弱的电场 手指接近电极时，出现两个沿电极到地方向的传导路径（IF+IB）用于面板表面的绝缘材料的效力依赖于它的厚度和介电常数（k）。总的来说，触摸板上的绝缘体应尽可能薄，得到尽可能高的介电常数。然而一个覆盖较厚的面板的介电常数可能增加，因为它是扁平的，例如氯丁橡胶可能会提供比正常期望的更高的灵敏度。当设计触摸板应用时，环境的影响也必须考虑。然而指尖上的油不可能有什么影响，因为可能由于在手指和其他电极（由水的高介电常数提供）之间更高的电流通路，水可能会影响邻近的触摸板。若触摸板更分散一些可以减小影响，并且设计应用使水不能在触摸板上聚集也很有帮助，尤其是在室外应用中。随着触摸板的使用时间，温度和湿度可以退化电容性能。然而，接近电容式传感器的设计可以为此补偿。比如，Freescale的传感器技术依赖于两个参考输入，一个连接到电容量接近所期望的最大值的电容，另一个连接到电容量接近所期望的最小值的电容。这些参考电容可以用于纠正在电极测量或其他相关器件改变时引起的错误。MPR084接近电容式触摸传感器控制器可以控制高达8个触摸板，应用于各种不同的触摸面板控制接口。这些包括： 电器 PC外设 访问控制 MP3播放器 远程控制 移动电话如果使用I2C接口和主控制器通信，主控制器配置操作，并且一个中断会通知主机状态改变。它还有一个特点就是150A的平均供电电流，可以监控所有的触摸板，专用的虚假触摸拒绝技术，甚至提供了一个仿真机械键盘单击反馈并可以听到的的压力音响驱动。清零图4：MPR084框图中断控制器配置和状态寄存器比较器和重新校准器EMI 突发噪音滤波器电容测量A.F.E.I2C串行接口音响驱动器控制器使能电流板板音响8个触摸板旋转触摸滑片只是在环上的一组触摸板。（参见图5）触摸滑片不仅检测手指的存在与否还检测手指在滑片表明的位置。该表面定义为滑片的内圆周和外圆周之间的区域。MPR083接近电容式触摸传感器控制器可以控制高达8位置的旋转触摸滑片和线性滑片应用。电容式滑片是拉长的触摸板可以沿着滑片的长度检测手指的位置。原始的检测输出是一个给出了触摸条件的一个单独位加上一个描述位置的多位的字。音量控制是电容式滑片的典型应用。MPR083设备和MPR084触摸传感器控制器具有相同的特点，包括公共引脚输出，简化控制面板，开关复位，旋转和线性滑片和触摸板实现的管理。MTIM中断请求图5：MPR083框图清零中断控制器配置和状态寄存器比较器和重新校准器EMI 突发噪音滤波器电容测量A.F.E.I2C串行接口音响控制器旋转位置速率音响8位置选择滑片选择位置解码器掩码置位接近电容式传感器的其他应用然而触摸传感对于接近电容式传感器来说，是一个快速增长的市场，它们也可以用在消费品，工业和汽车市场的一些其他创新的应用中。例如：液位传感（liquid level sensing）一个简单的设计是，使用接近电容式传感测量液位需要放置垂直的电极带穿过水柱，因此在水柱形成一个垂直的电容。当水柱是空时，形成一个电容。但是当注入水以后，电容被分成了两个部分，一个由空气填充（介电常数为1）而另一个由水填充（介电常数为80）.一个简单的算法可以决定液体的高度。不幸的是，在像洗衣机这样的应用中，该系统不能对水中的不同的绝缘属性做出补偿，因为当加入清洁剂后，油和其他杂质开始出现。更常用的电容系统使用梯度电极，电极排列要求两个不同厚度的金属板相互重叠。当液体上升时，电极的不同区域和水接触，在它们之间可以得到一个唯一的比率。该比率和液位直接相关，而区域的绝对值将提供绝缘信息，这可以估计水中肥皂和污垢的容量。接近感应（proxiimity sensing）另一个接近电容传感器的普通应用依赖于它们检测物体靠近的能力。电容模型等式图2论证了两个电容金属板（1/d）之间的距离和电容成反比。在一个典型应用中。一个导电电极板是电容的一个金属板而另要求的物体则作为电容的另一个金属板。因为距离和电容的关系是渐线性的，这种传感器能够更好的适应对接近有高精度要求的应用中。例如，Freescale的MC34940接近电容式传感器能够使用1ft 2in板作为一个电极来检测距离12英寸的手。在保安和安全应 用中，接近传感技术可以发挥重要的作用。比如，它们可以用于检测车中就坐的乘客的存在，甚至可以决定触发座椅安全带警报的乘客尺寸及提供安全气袋展开系统的有价值数据。虚拟地图6：近距离接近感应小距离IF=IB多电极和屏蔽驱动技术Freescale的MC33794, MC33941和MC34940接近电容式触摸传感器可以支持多电极，提供了有一个芯片控制几个应用的平台，即使这些应用相隔很远。然而当这些电极信号通过电线或同轴电缆传输到传感器IC时，它们可能被外部干扰减弱。为了减小这种干扰，Freescale在每个部分都集成了一个屏蔽驱动器。屏蔽驱动器电路提供了一个电极反馈的AC信号的缓存版本。因为和电极信号有相同的振幅和相位，两个信号之间有很少或没有位差，因此补偿了电场。有效地，屏蔽驱动从外部的虚拟地（virtual grounds）中分离电极信号，导致远距离电极测量和很接近IC的电极测量一样准确。图7通常的应用是将屏蔽驱动器和同轴电缆的屏蔽相连接，同轴电缆用于连接电极和相应的电极终端。电极信号图7：屏蔽驱动技术屏蔽信号电极信号电极信号屏蔽信号缓存屏蔽驱动技术的另一个典型应用是驱动虚拟地金属板来补偿任何可能减弱AC信号的虚拟地。图8屏蔽驱动限制边缘区域的信号丢失，因此有助于确保最强的位场，并且，在触摸面板的例子中，增加了触摸板的灵敏度。图8：屏蔽驱动技术的优点MTIM中断请求屏蔽驱动技术允许开发者不仅使用最少的接近电容式触摸传感器驱动许多独立的应用，也可以在较大的区域使用独立电极的大的阵列来完成同样的功能，例如灵敏地板垫子可以感应到站立者甚至跟踪他们的移动。联合接近感应和无线协议，比如ZigBeeTM技术，延伸控制和与本地网络连为一体，并且应用机会实际上是无限的。安全，保安，照明，综合娱乐控制和一般的接近检测仅是利用接近电容感应技术的方便和相对廉价的特性的一部分。总结接近电容式传感器正在数以千计的消