触摸传感应用的近接电容式传感器技术

1831年，法拉第发现了电磁感应。他发现，导体在穿过磁场时产生与移动速度直接成正比的电压：导体移动速度越快，电压就越高。现在，感应式近接传感器使用法拉第的电磁感应定律，无需实际接触传导材料就能检测到它们的距离。然而，这些传感器的最大不足之处是它们只能检测金属导体，并且不同类型的金属对检测范围也会带来一定影响。

　　另一方面，近接电容式传感器遵守同一原理，但是能够检测具有传导性的任何事物或不同于传感器电极环境介电性能的任何事物。随着人机界面设计更多地采用触摸面板来可靠地响应命令，近接电容式传感器变得越来越普及。现在在大量不同的控制面板应用中，飞思卡尔的先进的MPR083和MPR084近接电容式触摸传感器控制器能够取代开关和按钮。MPR083 器件支持8方向旋转界面，而MPR084 器件则能够控制多达8个触摸板。

　　近接电容式传感器概述

　　近接电容式传感是一项支持触摸检测的技术，它通过测量电容和展示电容变化来反映周围材料的变化。某些传感器通过生成电场并测量该电场所遭受的衰减，进而测出变化。与感应式传感器不同的是，近接电容式传感器能够检测具有传导性的任何事物或不同于传感器电极环境介电性能的任何事物。它们是出色的触摸板支持工具，由于我们人体的主要成分是水，具有很高的介电常数;并且我们体内包含离子物质，这使得人体成为很好的电导体。

　　在近接电容式传感器中，飞思卡尔使用了多种技术。MC33794、MC33941和MC34940产品系列在传感器集成电路(IC)中包含振荡器电路，以生成高纯度、低频率5V正弦波，并由39000欧姆负载电阻器进行调节。这个AC信号被馈入复用器里，复用器然后将信号定向传输到选定的电极/参考引脚或内部测量节点上。IC自动把未选的节点连接到电路接地中，充当创建电场电流所需的返回路径。

　　当物体(例如我们高度绝缘和导电的身体上的一个手指)靠近金属电极时，就形成了一条电路径，从而导致电场电流发生变化。正常情况下，传感器测量产生电的电场中的AC阻抗，并且将将测量转化成DC输出电压。带有模数控制器(ADC)的外部微控制器然后会处理这个信息，以执行任意数量的功能，例如与触摸板控制面板相关的功能。但是，我们更先进的MPR083和MPR084近接电容式触摸传感器控制器则通过带定制寻址的内置集成电路(I2C)生成数字输出，因此不需要外部ADC。

　　这种测量方法涉及RC振荡器技术，该技术采用GPIO检测准确电压变化。GPIO在0.5x Vdd时完成从低到高的过渡，并通过测量延迟实现触摸检测。MPR08X系列的优势包括功耗更低、智能增加，并对特定微控制器优化了传感器算法。器件和软件都具有很高的可配置性，而且针对专用传感器版面设计还优化了控制器。时钟由寄存器控制，以便实现精确的电源模式控制，降低功耗。

　　由于可靠性的提高(无移动部件)、更大的设计自由和更时尚的外观，近接电容式触摸传感正快速受到设计人员的欢迎。

　　旋转式触摸轮是一组呈环状排列的触摸板(参见图5)。触摸轮不只检测手指的存在，而且检测手指在触摸轮表面的位置。这个表面是指旋转式轮内周与外周间的面积。

　　MPR083近接电容式触摸传感器控制可以控制8方向旋转触摸轮和线性滑轨应用。电容式滑轨是一个延伸的触摸板，可以沿滑轨长度检测手指位置。原始检测输出是一个给出触摸条件的单位和一个给出位置信息的多位字。

　　音量控制是电容式滑轨的典型应用。

　　MPR083器件具有与MPR084触摸传感器控制器相同的特性，包括通用引脚输出，从而简化了控制面板、开关更换、旋转式和线性滑轨及触摸板实施的管理。

　　近接电容式传感器的其他应用

　　尽管触摸传感是近接电容传感器的一个增长最为迅速的市场，但它们也被广泛应用于消费、工业和汽车市场中的大量其他创新应用。例如：

　　液位传感。一个使用近接电容传感测量液位的简单设计，需要在水柱中放置垂直电极条，进而在水柱壁上形成垂直的电容器。当水柱变空时，就形成一个电容器。但装满水后，电容器就一分为二，其中一个装满空气(电介质为1)，另一个装满水(电介质约为80)。简单的算法可以确定液体高度。但在诸如洗衣机等应用中，由于加入了清洁剂，并且出现了灰尘和其他杂质，该系统无法补偿不同的介电属性。

　　更尖端的电容系统使用梯度电极。这种电极排列需要将两个厚度不等的电极板彼此重叠。随着液位上升，电极的不同位置将与水“接触”，从而可以提取它们之间的唯一比率。这个比率将与液位直接相关，而这个位置的绝对值将提供电介质信息。这些信息可以用来估计水中的肥皂和污物含量。

　　近接传感。近接电容传感器的另外一个常见用途基于其检测物体近接性的能力。电容器模型等式(1)显示，电容与两个电容器极板(1/d)之间的距离呈反比。在典型应用中，传导电极极板应是其中一个电容器极板，而感应对象则充当另一个电容器极板。

虽然距离和电容之间的关系是一种渐近关系，但这类传感器更适合在近接中需要高分辨率应用中。例如，飞思卡尔MC34940近接电容式触摸传感器将极板中的1英尺作为电极，检测距离在1英寸外的一支手。

　　近接传感技术在众多市场的安全应用中发挥着重要作用。例如，它们可以检测车内是否有人，甚至能确定他们的个头大小，以触发安全带警报，为安全气囊部署系统提供宝贵的数据。

　　多电极和屏蔽驱动技术

　　飞思卡尔的MC33794、MC33941和MC34940近接电容式触摸传感器可以支持多个电极，为一个芯片控制的几个应用提供平台，即便这些应用的间距很大。但是，由于电极信号是通过电线或同轴电缆发射到传感器IC上的，所以它们会因为外界干扰而削弱。为了最大限度减少干扰，飞思卡尔在这些部件中都融入了一个屏蔽驱动。

　　屏蔽驱动电路提供电极返回的AC信号的缓冲版本。因为它与电极信号具有相同的振幅和相位，两个信号之间没有很大差别或者差别很小，因此抵消了任何电场。实际上，屏蔽驱动把电极信号从外部虚拟接地中隔离开来，实现尽可能精确的远程电极测量，如同它们离IC很近一样(图7)。

　　一个常见应用是将屏蔽驱动连到与电极和对应电极端子相连的同轴电缆屏蔽上。

　　屏蔽驱动技术的另外一个典型应用是驱动触摸传感器电极阵列后面的接地平面，来抵消可能削弱AC信号的任何虚拟接地(图8)。屏蔽驱动限制了边缘电场的信号损失，因此有助于确保最强大的可能电场，而且在触摸面板中还能增强触摸板的灵敏度。

　　屏蔽驱动技术不仅使开发人员能够用最少的近接电容式触摸传感器来驱动大量独立应用，而且还能设计大量的独立电极，在更广泛的区域内执行同一功能，例如能够感应到乘客甚至跟踪乘客移动的智能脚垫。

　　近接传感与无线协议(如ZigBee技术)的结合，实现了更广泛的控制和与局域网连接，应用机会将层出不穷。安全、照明、集成的娱乐控制和通用近接检测，这些只是众多利用近接电容传感技术优势(如便利性和价格相对低廉的)的应用示例中的几个。

　　结论

　　近接电容式传感器在众多消费、工业和汽车应用中的使用正迅猛增长。设计出能够使用智能触摸控制界面的控制面板应用，将为生产商和消费者带来大量好处，包括：

• 　　取代机械按钮、开关和滑轨;
• 　　减少机械磨损，增强可靠性;
• 　　为产品设计人员提供更大的灵活性;
• 　　降低系统总成本;
• 　　简化机器控制界面。

　　飞思卡尔的近接电容触摸传感器系列将继续壮大，为生产商提供更多在他们的新产品设计中使用近接电容式传感器的机会。飞思卡尔近接电容式触摸传感器技术已经把控制面板设计的精确性、使用性和可靠性提高到一个新水平，并将继续帮助客户在全球新兴市场创造出新的应用