電容式接近檢測技術在汽車電子中的應用

汽車電子應用領域對接近檢測傳感器的需求一直在穩(wěn)定攀升，這種傳感器無需物理接觸，就能夠可靠地檢測出靠近傳感器表面的物體。接近檢測在汽車電子行業(yè)的可能應用是無限的：

• 汽車門禁控制：檢測手靠近門把，進而啟動開鎖程序

• 當手掌靠近屏幕表面時，就能照亮和喚醒觸摸屏

• 在手掌靠近傳感器時，就能打開/關閉車內(nèi)照明燈

• 通過檢測手掌在空中的簡單動作來打開/關閉設備

• 在停車過程中檢測汽車周圍的大障礙物

現(xiàn)在有多種不同的接近檢測方法，如電容感測、紅外、超聲波、光學等。對從5mm到300mm范圍的接近檢測，電容式感測技術相對其它技術而言有許多優(yōu)勢：出色的可靠性、簡單的機械設計、低功耗和低成本，本文將探討愛特梅爾公司(Atmel® Corporation)的電容式接近檢測技術。

愛特梅爾公司是觸摸解決方案的領導廠商，在這個領域擁有豐富的經(jīng)驗，其電容式傳感器基于公司首創(chuàng)的電荷轉移技術，即當某一特定的控制序列重復施加在I/O引腳期間，取樣電容上就會產(chǎn)生電壓。目前愛特梅爾在用于自電容傳感器(Atmel QTouch™)和互電容傳感器(Atmel QMatrix™)的電荷轉移技術方面擁有多項專利。愛特梅爾的電荷轉移技術為用戶帶來了一些相比其它電容式感應方法更佳的重要優(yōu)勢，包括：更高的可靠性，極高的靈敏度，出色的防濕性，以及抗噪聲能力。

QTouch和QMatrix技術已用于多種支持觸摸按鈕、滑條、撥輪，以及觸摸屏的觸摸控制器。接近檢測也可用于某些標準產(chǎn)品。愛特梅爾正在開發(fā)和實現(xiàn)新的接近算法，以提高靈敏度，可支持達到200mm或以上的手指或手掌檢測范圍。新的標準產(chǎn)品和軟件庫模塊計劃于2011年和2012年推出。

圖1：接近傳感器的有效屏蔽

當物體接近電極時，電容式接近傳感器測量單電極和地之間(自電容傳感器)，或兩個電極之間(互電容傳感器)的電容變化。在這類應用中，電容一般在10pF到300pF之間，而電容的變化通常都非常小(幾個fF到幾個pF)。由于自電容傳感器周圍的電場線擴散到距離感測電極較遠的地方，因而，接近檢測首選自電容測量，而不是互電容測量，因為后者的電場線主要集中在發(fā)送和接收電極之間的區(qū)域內(nèi)。

汽車應用電容式接近傳感器的特點：

高靈敏度：要檢測出被測量的電容的微小變化，傳感器的靈敏度必須高且穩(wěn)定。因而應當采取特殊的措施來減小電容性負載對靈敏度造成的負面影響，尤其是感測電極放置在導電表面(如金屬平面、車體等)上時的影響。這可通過在電極與導電表面間加一個有效屏蔽層，來減少電容性負載的負面影響(見圖1)。

A further advantage of active shields is their neutralizing effect on water films.

有效屏蔽層的另一優(yōu)勢是能與水膜產(chǎn)生中和效應。

• 防濕性：由潮濕引起的測量信號變化，會比由接近物體產(chǎn)生的測量信號變化更為顯著。對于電容式感測方法而言，物體表面上的水膜是最大的問題之一。水膜帶來的導電性會引起測量信號的變化，且這種變化類似于正常觸摸引起的變化。

處理水膜效應主要有兩種方法：

1．使用有效屏蔽層(如上所述)

2．縮短電荷轉移時間：可將水膜看待成一個分散式RC電路(見圖2)。減小電荷轉移脈沖將防止這些分布電容被完全充電，從而減少水膜的影響。如果電荷轉移時間控制在100ns 到250ns之間，則效果最佳。在感測區(qū)域采用正確的機械設計，并使用合適的材料，可以防止出現(xiàn)較厚的水膜。

圖2：水膜等效于分散式RC電路

•溫度穩(wěn)定性：在汽車應用中，隨時會出現(xiàn)極端迅速的溫度變化，所以應當特別注意機械設計的穩(wěn)定性，否則導電表面附近哪怕出現(xiàn)非常微小的間隙變化，都可能導致錯誤檢測。

•抗噪聲能力：由于靈敏度高，噪聲干擾會影響接近傳感器的運作。PCB電路的機械和電氣設計應當避免鄰近電纜或導電表面的噪聲干擾。

•快速響應：響應時間一般在10ms 到100ms之間。

以下討論電容式接近檢測在汽車領域的應用細節(jié)。

汽車門禁系統(tǒng)

電容式接近檢測的一個示例是在汽車門禁系統(tǒng)中的應用(見圖3)。檢測人手靠近的接近傳感器位于車門把手(1)內(nèi)。一旦檢測到有物體靠近，主控單元(2)通過低頻天線(3)發(fā)送一個喚醒信號；該信號激活汽車鑰匙發(fā)送器(4)。汽車鑰匙發(fā)送器于是與RFID接收器(5)交換信息；如果編碼信息與主控單元(2)匹配，汽車門鎖就打開。接近檢測和ID識別的整個過程約幾分之一秒。

這意味著當手拉門把時，門鎖已經(jīng)打開了。

相比于觸摸檢測，在汽車門禁系統(tǒng)中使用接近檢測的優(yōu)勢在于它能夠在識別車主的時間上搶先，其結果是拉門之前，門鎖就已經(jīng)處于打開狀態(tài)。

圖3：具有接近檢測功能的車門開啟系統(tǒng)

檢測空間手勢用于打開或關閉設備

同時使用兩個或多個電容式接近傳感器，就可以通過檢測手掌在空中的簡單動作(如在被檢設備前揮手)來打開或關閉設備。圖4所示為使用這樣的系統(tǒng)來開/關汽車內(nèi)照明的簡單例子。對著燈向某一個方向揮手是打開燈，向反方向揮手則是關燈。該系統(tǒng)能夠分析接近傳感器的信號，確定手勢指示開燈，還是關燈。

在電燈內(nèi)設計傳感電極有許多不同的方法，從使用細銅線到采用可直接附著在塑料上的導電聚合物都有。

圖4：通過檢測手在空中的簡單動作來打開/關閉車內(nèi)設備

結論

•汽車用電容式接近傳感器為多種舒適性應用開辟了道路。

•潮濕和快速的溫度變化是汽車用電容式接近傳感器面對的主要難題，而采用愛特梅爾最新的電容式感測創(chuàng)新技術，就能夠解決這些難題。