电容式近距传感器应用与考虑因素 传感器, 电容, 接口

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要达到高灵敏度的电容式近距感测效果，需要仔细考虑众多因素，包括机械设计、传感器置放位置与设计，以及终端应用的作业环境。仔细*估各项设计考虑因素，有助于避免典型电容式近距传感器设计经常遭遇的建置问题。本文介绍一些近距感测常见应用，以及能大幅增进设计成功机率的考虑要点。
何谓电容式进距传感器?
电容式近距传感器是一种与使用者操作接口互动的有效方法，使用者不必实际触碰到接口控制组件，其根据的是电容式感测技术，以侦测到导电物体的存在。电容式近距传感器为系统与产业研发业者带来许多独特优势，能有效提升组件的使用便利性与设计美感，并可提升需要在唤醒或启动时进行设定的装置之反应速度。
电容式进距传感器应用特性
“灯光导引”概念
电容式近距传感器为许多使用者接口系统带来独特的操控便利性。如图1所示，近距感测功能在加入到笔记本电脑的多媒体按键列后，当使用者的手指或手接近笔记本电脑时，即使在昏暗环境中也能提供“灯光导引”功能，让使用者在昏暗环境中也能很容易操作按键，就像是在几乎无光线的飞机客舱中使用笔电一般。


图1 近距灯光导引可改善在昏暗环境中的实用性
其它需要在黑暗或低光源环境中正常地运作的系统，也可采用“灯光导引”的概念，例如像内部通讯用的广播系统、手机、墙壁开关、以及汽车门禁系统等。
手机自动锁定与解除功能
内建触控屏幕或电容式操作接口的手机，亦可利用电容式近距传感器技术来提高使用可靠度。当使用者把手机拿到靠近脸颊处准备拨打或接电话时，触控屏幕或电容式输入接口就会自动锁住其按键与功能，避免使用者误触手机上的结束通话按键。当使用者通话完放下手机时，以及解除手机的锁定时，电容式近距传感器亦可用来自动启动按键锁。这种功能在让手机更容易在使用方面上扮演重要角色。
提高车用和工业安全性
近距传感器还可用来提高汽车车窗或防护系统安全性。例如，当电动车窗要关闭时，一旦乘客的手靠近车窗，系统会侦测到手或手臂，并停止动作以避免乘客受伤。工业设备亦可利用电容式近距传感器控制功能，获得更高安全性。浴室设备可利用近距感测技术，使整体环境变的更安全且更有效率。水龙头可加入近距感测功能，当手放到水龙头下方时就自动给水，当手远离水龙头时，便立即关水，完全不会有浪费水的情况发生。同样地，当手置于洗手给皂机下方时，就会自动提供洗手^^^，且当其它非导电物体靠近给皂机时也不会发生误判而流出洗手^^^。而马桶和垃圾筒上盖，亦可利用电容式近距传感器来建置免手动操作功能。
提升防盗系统功能
近距感测的另一个新应用，就是防盗系统。电容式近距传感器可设置于房屋四周，当屋主离开住家时就启动警戒功能。当屋宅被窃贼入侵时，摆设在屋子适当位置的近距传感器，就会判断出窃贼进入屋子的位置，以及在屋内走动的路线。这方面的信息能帮助事后调查，协助警方更快破案。移动中的非导电物体并不会触发电容式近距传感器，例如当屋主外出时，从墙上掉落的画，避免进行误判的动作追踪。
强化液晶屏幕影像使用性
像是数字相框与液晶屏幕等有边框的产品，可运用电容式近距传感器功能来增进美观与易用性。传统的数字相框在产品的背面或顶部都有机械式按键。当使用者想要调整数字相框的设定值，或是设定要显示的影像，其程序通常都很麻烦。运用电容式控制功能，加上相框边框的近距感测组件，就能设计出简便的单指操作功能，且当手指移开后，按键可隐藏在屏幕的边框中。图2显示模拟式按键，以及近接感测与电容式控制按键之间的比较。


图2 使用者输入类型比较示意图传统相框上的机械式按键相框边缘使用触控按键控制设计相框使用触控按键及近距传感器
传统的液晶屏幕通常在边框底部有不甚美观的突出按键，或是嵌入在底部边框的按键。由于屏幕并不重，因此按这些机械按键时，有时会让屏幕移动，离开原来的位置。对为达成单指操作目的而言，采用机械按键竟成为一种阻碍。液晶屏幕越做越薄，在边框四周的触控按键，也必须具备可以搭配的优雅及流线质感。运用近距感测来辅助现有的电容式控制组件，绝对能为液晶屏幕带来双赢的组合。
改善蓝牙无线装置使用效能
采用蓝芽技术的无线装置，亦可藉由近距感测来获得改善。当蓝芽装置欲切换至休眠模式，装置通常需要经过一段时间后，才能唤醒以及操作。运用近距感测技术，可让“休眠中”的蓝芽装置能事先侦测到使用者即将进行的触控动作，因此可大幅缩短使用者会用到的延迟时间。
另一项具备的优势是省电。当手指从搭载近距感测的装置上移开时，装置就能立即切换至“休眠”或省电模式。如此就不必在软件中设定无动作时的休眠时间。要设定适合的无动作休眠时间是很难的事，因为有时若时间设太短，甚至当还在使用时装置就会关闭电源(试想当您在写电子邮件时，屏幕突然变暗)。同样地，若时间设得太长，就会造成不必要的耗电。
如何提高电容式近距感测灵敏度?
要高灵敏度的电容式近距感测设计并不困难。根据产品的机械设计，在规划成功的近距感测设计时，有两个主要因素需考虑，一个是近距传感器的面积以及传感器接地时，和其它作用信号线路之间的耦合。一般而言，传感器越大，耦合的寄生电容就越小，近距感测的距离与性能也就越高。


图3 典型近距触控感测组件示意图
电容式近距感测组件架构
图3显示一个典型的近距感测组件，包括一个线形近距感测天线和相关的电容式感测电路。近距感测天线通常在需要感测的四周空间围成一个回路。构成传感器回路可达成两个目标︰
●能减少寄生电容，并“延伸”感测的区域;
●应注意近距感测天线与周围金属机壳或其它金属外壳之间的距离，要尽量拉大，让寄生耦合能减至小。
图4显示一个在10公分外以手指或手部接近近距感测天线，所形成的电场分布。左图显示当近距感测组件没有受到金属耦合时的电场分布，而右图则显示耦合效应。


图4 近距感测天线周围的电场分布图用传导屏蔽提高感测灵敏度
图4显示随着金属耦合增加，与手指耦合的电场就随之减少。因此，天线与手指之间的电容就减少，导致侦测距离变短。根据金属耦合的强度，近距感测信号最多会减少10倍。把金属物体连结到传导屏蔽(driven shield)，能减少与近距天线之间的耦合，例如，增加手指与天线之间的内部电容。传导屏蔽可以维持与近距传感器一样的功能来减少寄生耦合。相较于其它没有采用屏蔽的类似设计，当使用屏蔽时，侦测信号的强度可提高5倍以上。但它的侦测距离仍不及没有金属耦合的天线。
近距感测电路搭配特定PCB
近距感测天线与主控制器PCB是密不可分的，近距感测电路亦直接置于控制器的PCB中。应要特别注意近距感测电路不要置于没有接地或金属电路的PCB，因为这样会提高寄生耦合并降低侦测范围。
动态调整电容式感测芯片满足空间设计
对于某些应用而言，并无法使用固定式近距感测天线，因为控制芯片没有多余的I/O，或是终端装置没有足够的空间来置放分散的天线线路。对于已使用电容感测的接口设计而言，电容感测按键或滑杆可连结在一起，建构成一个大型近距感测器，不需要另外空出一个针脚来连结近距传感器，这方面可运用动态调整的电容式感测芯片。然而因按键与滑杆和PCB电路板之间有显著的耦合，因此连结针脚会有较高的寄生电容，使得感测范围缩短。
运用屏蔽电极亦能有效降低寄生电容。若没有足够空间来放置外部天线，并稳固地置于产品周围，固定式近距感测组件仍可提供理想效能，不必担心天线组装的问题。
采用韧体设计提升感测效能
采用电容式控制器韧体，可显著提升近距传感器效能。可从一段时间中由近距感测路径所算出的几个电容式信号来平均，以达到更远的侦测距离。这显然会影响近距传感器的反应速度。仔细检验，就能找出许多最佳的平均时间与侦测距离组合。
降低LCD噪声与电磁干扰
LCD噪声与电磁干扰，会影响近距感测系统效能。解决此项问题通常采取两种方法：
●审慎选择判断临界值;
●妥善运用屏蔽。
或者在一个没有LCD的系统中，信噪比临界值(亦即近距感测信号与尖峰噪声的比例)会超过5：1，噪声与指触临界値就应分别调高或调低，以达到更好的噪声滤波效果。
结语
电容式近距传感器为许多不同的消费性应用产品带来更便利的操作接口、更好的工业设计、以及更多的功能。此外，近距传感器可融入许多家用产品与工业节能设计中。通过审慎考虑装置的机械设计、近距感测的尺寸及设置、以及减少寄生耦合，让近距感测系统的设计更容易运用。妥善地调整手触或噪声临界値，加上运用平均值，可进一步改进电容式近距传感器系统的效能。运用传感器控制IC的韧体重新设定功能，就可以不必用到外部控制器I/O，建置出近距感测系统