電容式近距傳感器應(yīng)用與考慮因素

要達(dá)到高靈敏度的電容式近距感測(cè)效果，需要仔細(xì)考慮眾多因素，包括機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器置放位置與設(shè)計(jì)，以及終端應(yīng)用的作業(yè)環(huán)境。仔細(xì)*估各項(xiàng)設(shè)計(jì)考慮因素，有助于避免典型電容式近距傳感器設(shè)計(jì)經(jīng)常遭遇的建置問(wèn)題。本文介紹一些近距感測(cè)常見(jiàn)應(yīng)用，以及能大幅增進(jìn)設(shè)計(jì)成功機(jī)率的考慮要點(diǎn)。

何謂電容式進(jìn)距傳感器?

電容式近距傳感器是一種與使用者操作接口互動(dòng)的有效方法，使用者不必實(shí)際觸碰到接口控制組件，其根據(jù)的是電容式感測(cè)技術(shù)，以偵測(cè)到導(dǎo)電物體的存在。電容式近距傳感器為系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)研發(fā)業(yè)者帶來(lái)許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能有效提升組件的使用便利性與設(shè)計(jì)美感，并可提升需要在喚醒或啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行設(shè)定的裝置之反應(yīng)速度。

電容式進(jìn)距傳感器應(yīng)用特性

“燈光導(dǎo)引”概念

電容式近距傳感器為許多使用者接口系統(tǒng)帶來(lái)獨(dú)特的操控便利性。如圖1所示，近距感測(cè)功能在加入到筆記本電腦的多媒體按鍵列后，當(dāng)使用者的手指或手接近筆記本電腦時(shí)，即使在昏暗環(huán)境中也能提供“燈光導(dǎo)引”功能，讓使用者在昏暗環(huán)境中也能很容易操作按鍵，就像是在幾乎無(wú)光線的飛機(jī)客艙中使用筆電一般。

圖1 近距燈光導(dǎo)引可改善在昏暗環(huán)境中的實(shí)用性

其它需要在黑暗或低光源環(huán)境中正常地運(yùn)作的系統(tǒng)，也可采用“燈光導(dǎo)引”的概念，例如像內(nèi)部通訊用的廣播系統(tǒng)、手機(jī)、墻壁開(kāi)關(guān)、以及汽車(chē)門(mén)禁系統(tǒng)等。

手機(jī)自動(dòng)鎖定與解除功能

內(nèi)建觸控屏幕或電容式操作接口的手機(jī)，亦可利用電容式近距傳感器技術(shù)來(lái)提高使用可靠度。當(dāng)使用者把手機(jī)拿到靠近臉頰處準(zhǔn)備撥打或接電話時(shí)，觸控屏幕或電容式輸入接口就會(huì)自動(dòng)鎖住其按鍵與功能，避免使用者誤觸手機(jī)上的結(jié)束通話按鍵。當(dāng)使用者通話完放下手機(jī)時(shí)，以及解除手機(jī)的鎖定時(shí)，電容式近距傳感器亦可用來(lái)自動(dòng)啟動(dòng)按鍵鎖。這種功能在讓手機(jī)更容易在使用方面上扮演重要角色。

提高車(chē)用和工業(yè)安全性

近距傳感器還可用來(lái)提高汽車(chē)車(chē)窗或防護(hù)系統(tǒng)安全性。例如，當(dāng)電動(dòng)車(chē)窗要關(guān)閉時(shí)，一旦乘客的手靠近車(chē)窗，系統(tǒng)會(huì)偵測(cè)到手或手臂，并停止動(dòng)作以避免乘客受傷。工業(yè)設(shè)備亦可利用電容式近距傳感器控制功能，獲得更高安全性。浴室設(shè)備可利用近距感測(cè)技術(shù)，使整體環(huán)境變的更安全且更有效率。水龍頭可加入近距感測(cè)功能，當(dāng)手放到水龍頭下方時(shí)就自動(dòng)給水，當(dāng)手遠(yuǎn)離水龍頭時(shí)，便立即關(guān)水，完全不會(huì)有浪費(fèi)水的情況發(fā)生。同樣地，當(dāng)手置于洗手給皂機(jī)下方時(shí)，就會(huì)自動(dòng)提供洗手^^^，且當(dāng)其它非導(dǎo)電物體靠近給皂機(jī)時(shí)也不會(huì)發(fā)生誤判而流出洗手^^^。而馬桶和垃圾筒上蓋，亦可利用電容式近距傳感器來(lái)建置免手動(dòng)操作功能。

提升防盜系統(tǒng)功能

近距感測(cè)的另一個(gè)新應(yīng)用，就是防盜系統(tǒng)。電容式近距傳感器可設(shè)置于房屋四周，當(dāng)屋主離開(kāi)住家時(shí)就啟動(dòng)警戒功能。當(dāng)屋宅被竊賊入侵時(shí)，擺設(shè)在屋子適當(dāng)位置的近距傳感器，就會(huì)判斷出竊賊進(jìn)入屋子的位置，以及在屋內(nèi)走動(dòng)的路線。這方面的信息能幫助事后調(diào)查，協(xié)助警方更快破案。移動(dòng)中的非導(dǎo)電物體并不會(huì)觸發(fā)電容式近距傳感器，例如當(dāng)屋主外出時(shí)，從墻上掉落的畫(huà)，避免進(jìn)行誤判的動(dòng)作追蹤。

強(qiáng)化液晶屏幕影像使用性

像是數(shù)字相框與液晶屏幕等有邊框的產(chǎn)品，可運(yùn)用電容式近距傳感器功能來(lái)增進(jìn)美觀與易用性。傳統(tǒng)的數(shù)字相框在產(chǎn)品的背面或頂部都有機(jī)械式按鍵。當(dāng)使用者想要調(diào)整數(shù)字相框的設(shè)定值，或是設(shè)定要顯示的影像，其程序通常都很麻煩。運(yùn)用電容式控制功能，加上相框邊框的近距感測(cè)組件，就能設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)便的單指操作功能，且當(dāng)手指移開(kāi)后，按鍵可隱藏在屏幕的邊框中。圖2顯示模擬式按鍵，以及近接感測(cè)與電容式控制按鍵之間的比較。

圖2 使用者輸入類型比較示意圖

傳統(tǒng)相框上的機(jī)械式按鍵相框邊緣使用觸控按鍵控制設(shè)計(jì)相框使用觸控按鍵及近距傳感器

傳統(tǒng)的液晶屏幕通常在邊框底部有不甚美觀的突出按鍵，或是嵌入在底部邊框的按鍵。由于屏幕并不重，因此按這些機(jī)械按鍵時(shí)，有時(shí)會(huì)讓屏幕移動(dòng)，離開(kāi)原來(lái)的位置。對(duì)為達(dá)成單指操作目的而言，采用機(jī)械按鍵竟成為一種阻礙。液晶屏幕越做越薄，在邊框四周的觸控按鍵，也必須具備可以搭配的優(yōu)雅及流線質(zhì)感。運(yùn)用近距感測(cè)來(lái)輔助現(xiàn)有的電容式控制組件，絕對(duì)能為液晶屏幕帶來(lái)雙贏的組合。

改善藍(lán)牙無(wú)線裝置使用效能

采用藍(lán)芽技術(shù)的無(wú)線裝置，亦可藉由近距感測(cè)來(lái)獲得改善。當(dāng)藍(lán)芽裝置欲切換至休眠模式，裝置通常需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，才能喚醒以及操作。運(yùn)用近距感測(cè)技術(shù)，可讓“休眠中”的藍(lán)芽裝置能事先偵測(cè)到使用者即將進(jìn)行的觸控動(dòng)作，因此可大幅縮短使用者會(huì)用到的延遲時(shí)間。

另一項(xiàng)具備的優(yōu)勢(shì)是省電。當(dāng)手指從搭載近距感測(cè)的裝置上移開(kāi)時(shí)，裝置就能立即切換至“休眠”或省電模式。如此就不必在軟件中設(shè)定無(wú)動(dòng)作時(shí)的休眠時(shí)間。要設(shè)定適合的無(wú)動(dòng)作休眠時(shí)間是很難的事，因?yàn)橛袝r(shí)若時(shí)間設(shè)太短，甚至當(dāng)還在使用時(shí)裝置就會(huì)關(guān)閉電源(試想當(dāng)您在寫(xiě)電子郵件時(shí)，屏幕突然變暗)。同樣地，若時(shí)間設(shè)得太長(zhǎng)，就會(huì)造成不必要的耗電。

如何提高電容式近距感測(cè)靈敏度?

要高靈敏度的電容式近距感測(cè)設(shè)計(jì)并不困難。根據(jù)產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)，在規(guī)劃成功的近距感測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)，有兩個(gè)主要因素需考慮，一個(gè)是近距傳感器的面積以及傳感器接地時(shí)，和其它作用信號(hào)線路之間的耦合。一般而言，傳感器越大，耦合的寄生電容就越小，近距感測(cè)的距離與性能也就越高。

圖3 典型近距觸控感測(cè)組件示意圖

電容式近距感測(cè)組件架構(gòu)

圖3顯示一個(gè)典型的近距感測(cè)組件，包括一個(gè)線形近距感測(cè)天線和相關(guān)的電容式感測(cè)電路。近距感測(cè)天線通常在需要感測(cè)的四周空間圍成一個(gè)回路。構(gòu)成傳感器回路可達(dá)成兩個(gè)目標(biāo)︰

●能減少寄生電容，并“延伸”感測(cè)的區(qū)域;

●應(yīng)注意近距感測(cè)天線與周?chē)饘贆C(jī)殼或其它金屬外殼之間的距離，要盡量拉大，讓寄生耦合能減至小。

圖4顯示一個(gè)在10公分外以手指或手部接近近距感測(cè)天線，所形成的電場(chǎng)分布。左圖顯示當(dāng)近距感測(cè)組件沒(méi)有受到金屬耦合時(shí)的電場(chǎng)分布，而右圖則顯示耦合效應(yīng)。

圖4 近距感測(cè)天線周?chē)碾妶?chǎng)分布圖

用傳導(dǎo)屏蔽提高感測(cè)靈敏度

圖4顯示隨著金屬耦合增加，與手指耦合的電場(chǎng)就隨之減少。因此，天線與手指之間的電容就減少，導(dǎo)致偵測(cè)距離變短。根據(jù)金屬耦合的強(qiáng)度，近距感測(cè)信號(hào)最多會(huì)減少10倍。把金屬物體連結(jié)到傳導(dǎo)屏蔽(driven shield)，能減少與近距天線之間的耦合，例如，增加手指與天線之間的內(nèi)部電容。傳導(dǎo)屏蔽可以維持與近距傳感器一樣的功能來(lái)減少寄生耦合。相較于其它沒(méi)有采用屏蔽的類似設(shè)計(jì)，當(dāng)使用屏蔽時(shí)，偵測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度可提高5倍以上。但它的偵測(cè)距離仍不及沒(méi)有金屬耦合的天線。

近距感測(cè)電路搭配特定PCB

近距感測(cè)天線與主控制器PCB是密不可分的，近距感測(cè)電路亦直接置于控制器的PCB中。應(yīng)要特別注意近距感測(cè)電路不要置于沒(méi)有接地或金屬電路的PCB，因?yàn)檫@樣會(huì)提高寄生耦合并降低偵測(cè)范圍。

動(dòng)態(tài)調(diào)整電容式感測(cè)芯片滿足空間設(shè)計(jì)

對(duì)于某些應(yīng)用而言，并無(wú)法使用固定式近距感測(cè)天線，因?yàn)榭刂菩酒瑳](méi)有多余的I/O，或是終端裝置沒(méi)有足夠的空間來(lái)置放分散的天線線路。對(duì)于已使用電容感測(cè)的接口設(shè)計(jì)而言，電容感測(cè)按鍵或滑桿可連結(jié)在一起，建構(gòu)成一個(gè)大型近距感測(cè)器，不需要另外空出一個(gè)針腳來(lái)連結(jié)近距傳感器，這方面可運(yùn)用動(dòng)態(tài)調(diào)整的電容式感測(cè)芯片。然而因按鍵與滑桿和PCB電路板之間有顯著的耦合，因此連結(jié)針腳會(huì)有較高的寄生電容，使得感測(cè)范圍縮短。

運(yùn)用屏蔽電極亦能有效降低寄生電容。若沒(méi)有足夠空間來(lái)放置外部天線，并穩(wěn)固地置于產(chǎn)品周?chē)潭ㄊ浇喔袦y(cè)組件仍可提供理想效能，不必?fù)?dān)心天線組裝的問(wèn)題。

采用韌體設(shè)計(jì)提升感測(cè)效能

采用電容式控制器韌體，可顯著提升近距傳感器效能?？蓮囊欢螘r(shí)間中由近距感測(cè)路徑所算出的幾個(gè)電容式信號(hào)來(lái)平均，以達(dá)到更遠(yuǎn)的偵測(cè)距離。這顯然會(huì)影響近距傳感器的反應(yīng)速度。仔細(xì)檢驗(yàn)，就能找出許多最佳的平均時(shí)間與偵測(cè)距離組合。

降低LCD噪聲與電磁干擾

LCD噪聲與電磁干擾，會(huì)影響近距感測(cè)系統(tǒng)效能。解決此項(xiàng)問(wèn)題通常采取兩種方法：

●審慎選擇判斷臨界值;

●妥善運(yùn)用屏蔽。

或者在一個(gè)沒(méi)有LCD的系統(tǒng)中，信噪比臨界值(亦即近距感測(cè)信號(hào)與尖峰噪聲的比例)會(huì)超過(guò)5：1，噪聲與指觸臨界値就應(yīng)分別調(diào)高或調(diào)低，以達(dá)到更好的噪聲濾波效果。

結(jié)語(yǔ)

電容式近距傳感器為許多不同的消費(fèi)性應(yīng)用產(chǎn)品帶來(lái)更便利的操作接口、更好的工業(yè)設(shè)計(jì)、以及更多的功能。此外，近距傳感器可融入許多家用產(chǎn)品與工業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)中。通過(guò)審慎考慮裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)、近距感測(cè)的尺寸及設(shè)置、以及減少寄生耦合，讓近距感測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更容易運(yùn)用。妥善地調(diào)整手觸或噪聲臨界値，加上運(yùn)用平均值，可進(jìn)一步改進(jìn)電容式近距傳感器系統(tǒng)的效能。運(yùn)用傳感器控制IC的韌體重新設(shè)定功能，就可以不必用到外部控制器I/O，建置出近距感測(cè)系統(tǒng)。