触摸传感应用的近接电容式传感器技术

简介

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/参考管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。

图1 接近电容式传感器电场原理图

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。

触摸传感应用中的电容式传感器

近接电容式传感技术可广泛应用于各种工业和消费产品应用。MPR083和MPR084器件为设计人员的控制面板应用提供了一种经济高效的机械按钮和开关选择。虽然这两款器件的外形各不相同，但它们都采用了触摸板技术。

触摸板。这只是检测手指是否存在的一个无接触区。原始检测输出是给出触摸条件的单一位。开发触摸面板时需要重点注意以下三点：

1. 触摸板的电极设计和平面图;

2. 触摸面板表面的不同绝缘材料;

3. 不同环境条件的电场测量影响。

下面这个表示式显示了这三个注意事项之间的关系。

其中C电容(F);A为平板面积(m2);d为平板间的距离(m);k隔离平板物质的介电常数;e0自由空间的电容率(8.85x10-12F/m)

图2 电容器模型

电极尺寸和间距之间的交互会影响对第三维(如图3)中的物体感应能力。电极越大，量程也越大，敏感度越强;但是，它们更容易受到周围环境的干扰、电噪音和偏离电场路径的影响。同样，电极之间的间距越大，产生的电场越大，但信号会削弱。在触摸面板应用中，触摸板只需要有指尖大小就可以了，这就限定了电极的可用尺寸及电极之间的空间。

图3 近接电容式触摸传感器类型

面板表面使用的绝缘材料的效力取决于它的厚度和介电常数(k)。一般来说，触摸屏上的绝缘体应尽可能薄，而介电常数应尽可能高。但是，厚面板在受到挤压时介电常数可能会增大，例如在氯丁橡胶中，这可能意味着实际提供的灵敏度应当比通常预期的值要高。

在设计触摸面板应用时，还必须考虑到环境影响。虽然指尖的油不会带来明显的影响，但水却可能对附近的触摸板产生影响，这是因为由于水的介电常数高，手指与其他电极之间产生了更高的电流路径。更大的触摸屏距离可以降低这个影响。在设计应用(尤其是户外应用)时，防止触摸屏积水也会有所帮助。

随着触摸面板显示屏老化，温度和湿度可能最终导致电容器性能降低。但是，近接电容感应器设计可以弥补这一缺憾。例如，飞思卡尔的传感器技术依赖两个基准输入，其中一个与接近最大预计电容值的电容器相连，而另一个则与接近最小预计电容值的电容器相连。这些基准电容可以用来更正电极测量中由于环境或与其他组件有关的变化而导致的误差。

MPR084近接电容式触摸传感器控制器可最多控制8个不同应用的触摸面板控制界面的触摸板。这包括：

* 家用电器;
　　* 电脑外设;
　　* 存取控制;
　　* MP3播放器;
　　* 远程控制;
　　* 移动电话。
　　它使用IC接口与配置操作的主机控制器进行通信，同时使用中断向主机通告状态变化。它还提供41μA平均电流，监视所有触摸板、专属的错误触摸拒绝技术甚至压电音响器驱动，向模拟机械键击提供可选音频反馈。

图4 MPR084框图

来源：电子产品世界