人體接觸應(yīng)用中的電容檢測技術(shù)分析

　　電容檢測不僅用在您的智能手機中；在必須與人體皮膚接觸的醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)品中，它也有用武之地。本文介紹如何使用電容檢測來確定設(shè)備表面與用戶皮膚的接觸質(zhì)量。

　　容性檢測技術(shù)在傳統(tǒng)的人機界面應(yīng)用中繼續(xù)受到青睞，例如筆記本電腦觸控板、MP3播放器、觸摸屏顯示器和近程檢測器等。除了利用容性傳感器取代機械按鈕外，用一點點想象力，再加上人機界面設(shè)計的基本原理，將會使很多其它應(yīng)用也能利用這一技術(shù)。圖1所示為一些應(yīng)用概念示例，這些概念可以通過采用人體接觸檢測得到完善。

　　對于圖1中所示的器件，若能在啟動器件或進行測量之前先了解器件與皮膚之間的接觸質(zhì)量等相關(guān)信息，往往較為有利。這些器件包括需要緊靠皮膚的醫(yī)用探針、生物電位電極傳感器或者用于固定導管用管的外殼。為確定接觸條件，可以在注塑生產(chǎn)過程中將圖中綠色的幾個容性傳感器電極直接嵌入器件的塑料外殼。主機微控制器讀取容性傳感器控制器IC上的一些狀態(tài)寄存器，這些寄存器表示容性傳感器離皮膚有多近。隨后，主機微控制器上運行的基本檢測算法處理狀態(tài)寄存器信息，以確定各傳感器電極與皮膚的接觸是否適當。

　　在傳統(tǒng)的容性檢測人機界面應(yīng)用中，人們一般通過手指觸碰開始接觸傳感器電極。圖1中的示例則以非傳統(tǒng)方式使用容性傳感器，用戶在人體上放置了一個含有容性檢測電極的器件。開發(fā)這類應(yīng)用很簡單，但為了構(gòu)建一個穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，還是應(yīng)當遵守一些關(guān)鍵準則

　　電容數(shù)字控制器。開發(fā)高性能接觸檢測應(yīng)用，首先要選擇一個合適的電容數(shù)字控制器(CDC)。對于圖1所示的應(yīng)用，器件表面與皮膚的接觸是直接通過能量的細微變化測量的，這種能量變化分布在容性傳感器電極陣列中，當器件與皮膚發(fā)生接觸時就會產(chǎn)生。這種測量的精度取決于CDC模擬前端的靈敏度和傳感器電極的數(shù)量。采用傳統(tǒng)PCB工藝制造的容性傳感器精度通常在50 fF至20 pF范圍內(nèi)，因此使用16位CDC的高精度測量技術(shù)是比較理想的。

　　在選擇CDC時，首先要明確一些關(guān)鍵特性，例如帶16位ADC的高分辨率模擬前端、可編程傳感器靈敏度設(shè)置、可編程傳感器失調(diào)控制、片內(nèi)環(huán)境校準、支持理想數(shù)量傳感器電極的充足容性輸入通道，以及無需使用外部RC器件進行傳感器校準的集成設(shè)計。這些特性均支持可靠而靈活的應(yīng)用，帶來最佳用戶體驗。例如，可編程靈敏度可使界面設(shè)計人員針對具體應(yīng)用預(yù)設(shè)最佳的傳感器靈敏度，而非采用可能導致較差靈敏度的固定解決方案?？删幊淌д{(diào)控制對界面設(shè)計人員是另一個重要特性，因為每一個生產(chǎn)批次的傳感器板的失調(diào)值可能都會略有不同?？焖兕A(yù)表征允許在將新傳感器板投入量產(chǎn)之前更改主機固件設(shè)置。對于環(huán)境溫度或濕度預(yù)計會發(fā)生變化的應(yīng)用，片內(nèi)環(huán)境校準可實現(xiàn)更可靠的解決方案。請注意，電極傳感器是使用標準PCB銅跡線構(gòu)建的；基板的屬性會隨溫度和濕度的變化而改變，因此將會改變傳感器輸出的基線電平。如果CDC支持片內(nèi)校準，這種基線漂移就可以在產(chǎn)品使用中得到動態(tài)補償。

　　小電極需要高靈敏度。測量的目標是確定設(shè)備與皮膚的緊靠程度；皮膚與設(shè)備的接觸質(zhì)量越好，設(shè)備的讀取就越準確。測量的準確度取決于分布在器件接觸面區(qū)域的電極傳感器的數(shù)量（電極越多，分辨率越高）和大小。對于圖1所示的應(yīng)用，器件的表面區(qū)域一般很小，需要設(shè)計人員在開發(fā)應(yīng)用時采用小型傳感器電極。

　　為了可靠測量與小傳感器電極相關(guān)的小電容變化（一般小于50 pF），需要使用高靈敏度模擬前端控制器。請記住，塑料覆蓋材料的類型和厚度會進一步影響傳感器透過塑料發(fā)射的小信號。控制器的模擬前端測量必須具有足夠的靈敏度來測量這種小信號，同時在所有工作條件下（例如不同的電源電壓、溫度和濕度以及覆蓋面材料的厚度和種類），在測得信號和閾值電平檢測設(shè)置之間保持較好的信號余量。較低的信號余量會增加誤檢和傳感器不穩(wěn)定的風險。為了最大程度降低風險，當使用帶16位ADC的CDC時，在傳感器基線電平（傳感器沒有與皮膚接觸）與接觸閾值電平之間應(yīng)保持至少1000 LSB的余量。