電容傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)要點(diǎn)：漂移補(bǔ)償+寄生電容

電容傳感器滾輪在iPod等產(chǎn)品中獲得的成功，正在促使其他消費(fèi)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商考慮使用電容傳感器來(lái)改善產(chǎn)品的用戶界面，并使產(chǎn)品看起來(lái)更加美觀。事實(shí)上，電容觸摸傳感器接口的應(yīng)用并不僅限于MP3播放器，而是可以用于目前采用傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)的任何產(chǎn)品之中，如新款手機(jī)的菜單控制按鈕。利用可靠性高、引人注目并具有成本效益的電容觸摸傳感器，可以輕松地改變這些高級(jí)功能菜單控制開(kāi)關(guān)的式樣。

電容觸摸傳感器接口通常由一個(gè)電容傳感器、一個(gè)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）和一個(gè)主處理器組成（圖1）。傳感器利用標(biāo)準(zhǔn)兩層或四層PCB上的走線（trace）或柔性電路制造，因此不需要任何外部元件或材料。

圖1. 典型電容觸摸傳感器接口

可靠的傳感器必須不受外界環(huán)境變化的影響，能夠在任何工作條件下保持精確的靈敏度水平。溫度或濕度的變化會(huì)導(dǎo)致PCB材料的特性發(fā)生變化，因此，印刷電路電容傳感器的輸出電平將發(fā)生漂移。例如，當(dāng)用戶從開(kāi)啟空調(diào)的汽車到一個(gè)濕熱環(huán)境時(shí)，就可能出現(xiàn)上述情況。為了避免發(fā)生斷續(xù)接觸錯(cuò)誤，CDC必須包括實(shí)時(shí)的漂移補(bǔ)償功能（圖2）。

隨著環(huán)境條件的變化（例如，溫度或濕度上升），傳感器的環(huán)境參數(shù)（在用戶沒(méi)有與傳感器接觸期間，由CDC進(jìn)行測(cè)量）會(huì)發(fā)生漂移。為了進(jìn)行補(bǔ)償，需要?jiǎng)討B(tài)改變高端和低端閾值電平，以確定有效的傳感器接觸。位置2、3、5、6 處的參考電平進(jìn)行重新調(diào)整，以保持最佳的閾值參考電平，從而自動(dòng)跟蹤和補(bǔ)償漂移誤差。

圖2. 兩個(gè)傳感器在環(huán)境條件改變時(shí)的特性，漂移補(bǔ)償功能已使能

PCB還可能受到寄生電容的影響，這種電容最大可達(dá)20 pF，它會(huì)在電容觸摸傳感器視為受到按壓時(shí)，使閾值發(fā)生偏移，從而改變其靈敏度。為了對(duì)寄生電容進(jìn)行補(bǔ)償，可以采用對(duì)DAC編程的方法，以抵消CDC的輸入。對(duì)于各PCB來(lái)說(shuō)，這種寄生電容是一致的，因此可以在制造PCB的時(shí)候進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，這樣就不需要外部RC調(diào)諧元件，從而使材料、裝配和測(cè)試相關(guān)的成本最低。單獨(dú)調(diào)整每個(gè)傳感器的偏移，使設(shè)計(jì)者可以充分利用轉(zhuǎn)換器的分辨率（圖3）。

圖3. 模擬前端，其中DAC幫助消除寄生電容的影響

傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)具有用戶熟悉的靈敏度和觸覺(jué)反饋，對(duì)于電容傳感器來(lái)說(shuō)，這些參數(shù)也必須加以考慮和優(yōu)化。不同的傳感器可能需要獨(dú)特的靈敏度，這取決于開(kāi)關(guān)功能或開(kāi)關(guān)在產(chǎn)品中的物理位置。而且，一套靈敏度設(shè)置不可能適合所有的用戶，因此應(yīng)該允許用戶設(shè)置不同的靈敏度水平，若能通過(guò)靈敏度控制菜單進(jìn)行選擇將是最理想的。例如，AD7142 支持這些靈敏性要求，允許一個(gè)單獨(dú)的16位靈敏度控制寄存器為每個(gè)傳感器編程。這些寄存器也可以嵌入到主機(jī)固件中，并在菜單顯示中提供，允許用戶選擇不同的靈敏度水平，以滿足其特殊需求。

在用戶沒(méi)有與傳感器接觸期間，如果對(duì)每個(gè)傳感器輸入取樣，則會(huì)白白浪費(fèi)電池電量。為使電池效率最大化，CDC應(yīng)能夠檢測(cè)到用戶停止觸碰傳感器，并自動(dòng)切換到低功耗模式。當(dāng)傳感器被再度觸碰時(shí)，IC將自動(dòng)重新進(jìn)入正常工作模式。

為了節(jié)省更多的功率，還應(yīng)該包括一個(gè)完全關(guān)斷模式。這種情況下，只要禁用傳感器，就會(huì)關(guān)斷整個(gè)IC。在便攜產(chǎn)品中，禁用傳感器開(kāi)關(guān)通常是通過(guò)設(shè)置一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)或從控制菜單中選擇阻塞模式來(lái)完成的。

利用電容傳感器取代傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)還有一個(gè)好處，就是制造與裝配工藝更加簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)需要手工把每個(gè)開(kāi)關(guān)插入到塑料殼體上的專用孔洞中，而一個(gè)包含所有這些開(kāi)關(guān)的單一電容傳感器板可以一步到位，放置在這個(gè)塑料殼體下面。含有一個(gè)定位槽口的傳感器板安裝孔和一些膠水就足以完成傳感器板的安裝與位置校準(zhǔn)。

主處理器板發(fā)射的電磁噪聲可能會(huì)耦合進(jìn)入電容傳感器和傳感器走線中，導(dǎo)致不可預(yù)知的傳感器動(dòng)作，使性能下降，但通過(guò)簡(jiǎn)單的方法也可幫助將電磁干擾（EMI）對(duì)傳感器的影響降至最低。首先，CDC應(yīng)安裝在傳感器板上，這會(huì)使傳感器走線長(zhǎng)度最短，從而降低EMI 被耦合到走線中的機(jī)會(huì)。其次，利用一個(gè)具有結(jié)實(shí)接地層的四層傳感器板，可以為傳感器提供額外的EMI屏蔽。如果這兩個(gè)方法不能有效地將EMI噪聲與傳感器隔離，還可以把一個(gè)接地金屬屏蔽體放置在傳感器板腔的上方（圖4）。

圖4. 接地金屬屏蔽體可提高EMI抑制性能

電容傳感器電場(chǎng)也會(huì)耦合到產(chǎn)品的金屬殼或?qū)щ娦越饘偻繉拥葘?dǎo)電表面，導(dǎo)致不可預(yù)知的傳感器動(dòng)作，這樣就造成機(jī)械限制，要求電容傳感器的邊緣與金屬表面的邊緣保持一定的距離。而且，電容傳感器的靈敏度也與傳感器正上方的塑料厚度有關(guān)。如果塑料過(guò)厚，通量電力線將不能有效地穿過(guò)塑料，使傳感器性能變得不可靠。通常，外殼與傳感器之間的距離應(yīng)該大于1.0mm，塑料厚度應(yīng)該小于4.0mm，使靈敏度保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。