觸摸傳感應用的近接電容式傳感器技術

　　另一方面，近接電容式傳感器遵守同一原理，但是能夠檢測具有傳導性的任何事物或不同于傳感器電極環境介電性能的任何事物。隨著人機界面設計更多地采用觸摸面板來可靠地響應命令，近接電容式傳感器變得越來越普及。現在在大量不同的控制面板應用中，飛思卡爾的先進的MPR083和MPR084近接電容式觸摸傳感器控制器能夠取代開關和按鈕。MPR083 器件支持8方向旋轉界面，而MPR084 器件則能夠控制多達8個觸摸板。

　　近接電容式傳感器概述

　　近接電容式傳感是一項支持觸摸檢測的技術，它通過測量電容和展示電容變化來反映周圍材料的變化。某些傳感器通過生成電場并測量該電場所遭受的衰減，進而測出變化。與感應式傳感器不同的是，近接電容式傳感器能夠檢測具有傳導性的任何事物或不同于傳感器電極環境介電性能的任何事物。它們是出色的觸摸板支持工具，由于我們人體的主要成分是水，具有很高的介電常數;并且我們體內包含離子物質，這使得人體成為很好的電導體。

　　在近接電容式傳感器中，飛思卡爾使用了多種技術。MC33794、MC33941和MC34940產品系列在傳感器集成電路(IC)中包含振蕩器電路，以生成高純度、低頻率5V正弦波，并由39000歐姆負載電阻器進行調節。這個AC信號被饋入復用器里，復用器然后將信號定向傳輸到選定的電極/參考引腳或內部測量節點上。IC自動把未選的節點連接到電路接地中，充當創建電場電流所需的返回路徑。

　　當物體(例如我們高度絕緣和導電的身體上的一個手指)靠近金屬電極時，就形成了一條電路徑，從而導致電場電流發生變化。正常情況下，傳感器測量產生電的電場中的AC阻抗，并且將將測量轉化成DC輸出電壓。帶有模數控制器(ADC)的外部微控制器然后會處理這個信息，以執行任意數量的功能，例如與觸摸板控制面板相關的功能。但是，我們更先進的MPR083和MPR084近接電容式觸摸傳感器控制器則通過帶定制尋址的內置集成電路(I2C)生成數字輸出，因此不需要外部ADC。

　　這種測量方法涉及RC振蕩器技術，該技術采用GPIO檢測準確電壓變化。GPIO在0.5x Vdd時完成從低到高的過渡，并通過測量延遲實現觸摸檢測。MPR08X系列的優勢包括功耗更低、智能增加，并對特定微控制器優化了傳感器算法。器件和軟件都具有很高的可配置性，而且針對專用傳感器版面設計還優化了控制器。時鐘由寄存器控制，以便實現精確的電源模式控制，降低功耗。

　　由于可靠性的提高(無移動部件)、更大的設計自由和更時尚的外觀，近接電容式觸摸傳感正快速受到設計人員的歡迎。

　　旋轉式觸摸輪是一組呈環狀排列的觸摸板(參見圖5)。觸摸輪不只檢測手指的存在，而且檢測手指在觸摸輪表面的位置。這個表面是指旋轉式輪內周與外周間的面積。

　　MPR083近接電容式觸摸傳感器控制可以控制8方向旋轉觸摸輪和線性滑軌應用。電容式滑軌是一個延伸的觸摸板，可以沿滑軌長度檢測手指位置。原始檢測輸出是一個給出觸摸條件的單位和一個給出位置信息的多位字。

　　音量控制是電容式滑軌的典型應用。

　　MPR083器件具有與MPR084觸摸傳感器控制器相同的特性，包括通用引腳輸出，從而簡化了控制面板、開關更換、旋轉式和線性滑軌及觸摸板實施的管理。

　　近接電容式傳感器的其他應用

　　盡管觸摸傳感是近接電容傳感器的一個增長最為迅速的市場，但它們也被廣泛應用于消費、工業和汽車市場中的大量其他創新應用。例如：

　　液位傳感。一個使用近接電容傳感測量液位的簡單設計，需要在水柱中放置垂直電極條，進而在水柱壁上形成垂直的電容器。當水柱變空時，就形成一個電容器。但裝滿水后，電容器就一分為二，其中一個裝滿空氣(電介質為1)，另一個裝滿水(電介質約為80)。簡單的算法可以確定液體高度。但在諸如洗衣機等應用中，由于加入了清潔劑，并且出現了灰塵和其他雜質，該系統無法補償不同的介電屬性。

　　更尖端的電容系統使用梯度電極。這種電極排列需要將兩個厚度不等的電極板彼此重疊。隨著液位上升，電極的不同位置將與水“接觸”，從而可以提取它們之間的唯一比率。這個比率將與液位直接相關，而這個位置的絕對值將提供電介質信息。這些信息可以用來估計水中的肥皂和污物含量。

　　近接傳感。近接電容傳感器的另外一個常見用途基于其檢測物體近接性的能力。電容器模型等式(1)顯示，電容與兩個電容器極板(1/d)之間的距離呈反比。在典型應用中，傳導電極極板應是其中一個電容器極板，而感應對象則充當另一個電容器極板。

雖然距離和電容之間的關系是一種漸近關系，但這類傳感器更適合在近接中需要高分辨率應用中。例如，飛思卡爾MC34940近接電容式觸摸傳感器將極板中的1英尺作為電極，檢測距離在1英寸外的一支手。

　　近接傳感技術在眾多市場的安全應用中發揮著重要作用。例如，它們可以檢測車內是否有人，甚至能確定他們的個頭大小，以觸發安全帶警報，為安全氣囊部署系統提供寶貴的數據。

　　多電極和屏蔽驅動技術

　　飛思卡爾的MC33794、MC33941和MC34940近接電容式觸摸傳感器可以支持多個電極，為一個芯片控制的幾個應用提供平臺，即便這些應用的間距很大。但是，由于電極信號是通過電線或同軸電纜發射到傳感器IC上的，所以它們會因為外界干擾而削弱。為了最大限度減少干擾，飛思卡爾在這些部件中都融入了一個屏蔽驅動。

　　屏蔽驅動電路提供電極返回的AC信號的緩沖版本。因為它與電極信號具有相同的振幅和相位，兩個信號之間沒有很大差別或者差別很小，因此抵消了任何電場。實際上，屏蔽驅動把電極信號從外部虛擬接地中隔離開來，實現盡可能精確的遠程電極測量，如同它們離IC很近一樣(圖7)。

　　一個常見應用是將屏蔽驅動連到與電極和對應電極端子相連的同軸電纜屏蔽上。

　　屏蔽驅動技術的另外一個典型應用是驅動觸摸傳感器電極陣列后面的接地平面，來抵消可能削弱AC信號的任何虛擬接地(圖8)。屏蔽驅動限制了邊緣電場的信號損失，因此有助于確保最強大的可能電場，而且在觸摸面板中還能增強觸摸板的靈敏度。

　　屏蔽驅動技術不僅使開發人員能夠用最少的近接電容式觸摸傳感器來驅動大量獨立應用，而且還能設計大量的獨立電極，在更廣泛的區域內執行同一功能，例如能夠感應到乘客甚至跟蹤乘客移動的智能腳墊。

　　近接傳感與無線協議(如ZigBee技術)的結合，實現了更廣泛的控制和與局域網連接，應用機會將層出不窮。安全、照明、集成的娛樂控制和通用近接檢測，這些只是眾多利用近接電容傳感技術優勢(如便利性和價格相對低廉的)的應用示例中的幾個。

　　結論

　　近接電容式傳感器在眾多消費、工業和汽車應用中的使用正迅猛增長。設計出能夠使用智能觸摸控制界面的控制面板應用，將為生產商和消費者帶來大量好處，包括：

• 　　取代機械按鈕、開關和滑軌;
• 　　減少機械磨損，增強可靠性;
• 　　為產品設計人員提供更大的靈活性;
• 　　降低系統總成本;
• 　　簡化機器控制界面。

　　飛思卡爾的近接電容觸摸傳感器系列將繼續壯大，為生產商提供更多在他們的新產品設計中使用近接電容式傳感器的機會。飛思卡爾近接電容式觸摸傳感器技術已經把控制面板設計的精確性、使用性和可靠性提高到一個新水平，并將繼續幫助客戶在全球新興市場創造出新的應用