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簡介
1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體在穿過磁場時產(chǎn)生與移動速度直接成正比的電壓：導(dǎo)體移動速度越快，電壓就越高�，F(xiàn)在，感應(yīng)式近接傳感器使用法拉第的電磁感應(yīng)定律，無需實際接觸傳導(dǎo)材料就能檢測到它們的距離。然而，這些傳感器的最大不足之處是它們只能檢測金屬導(dǎo)體，并且不同類型的金屬對檢測范圍也會帶來一定影響。
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(dǎo)性的任何事物或不同于傳感器電極環(huán)境介電性能的任何事物。隨著人機(jī)界面設(shè)計更多地采用觸摸面板來可靠地響應(yīng)命令，近接電容式傳感器變得越來越普及。現(xiàn)在在大量不同的控制面板應(yīng)用中，飛思卡爾的先進(jìn)的MPR083和MPR084近接電容式觸摸傳感器控制器能夠取代開關(guān)和按鈕。MPR083 器件支持8方向旋轉(zhuǎn)界面，而MPR084 器件則能夠控制多達(dá)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(shù)，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(jìn)而測出變化。與感應(yīng)式傳感器不同的是，近接電容式傳感器能夠檢測具有傳導(dǎo)性的任何事物或不同于傳感器電極環(huán)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?nèi)梭w的主要成分是水，具有很高的介電常數(shù);并且我們體內(nèi)包含離子物質(zhì)，這使得人體成為很好的電導(dǎo)體。
在近接電容式傳感器中，飛思卡爾使用了多種技術(shù)。MC33794、MC33941和MC34940產(chǎn)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(fù)載電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個AC信號被饋入復(fù)用器里，復(fù)用器然后將信號定向傳輸?shù)竭x定的電極/參考管腳或內(nèi)部測量節(jié)點上。IC自動把未選的節(jié)點連接到電路接地中，充當(dāng)創(chuàng)建電場電流所需的返回路徑。
當(dāng)物體(例如我們高度絕緣和導(dǎo)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(dǎo)致電場電流發(fā)生變化。正常情況下，傳感器測量產(chǎn)生電的電場中的AC阻抗，并且將將測量轉(zhuǎn)化成DC輸出電壓。帶有模數(shù)控制器(ADC)的外部微控制器然后會處理這個信息，以執(zhí)行任意數(shù)量的功能，例如與觸摸板控制面板相關(guān)的功能。但是，我們更先進(jìn)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(nèi)置集成電路(I2C)生成數(shù)字輸出，因此不需要外部ADC。
圖1 接近電容式傳感器電場原理圖
這種測量方法涉及RC振蕩器技術(shù)，該技術(shù)采用GPIO檢測準(zhǔn)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(xiàn)觸摸檢測。MPR08X系列的優(yōu)勢包括功耗更低、智能增加，并對特定微控制器優(yōu)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(shè)計還優(yōu)化了控制器。時鐘由寄存器控制，以便實現(xiàn)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(shè)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(shè)計人員的歡迎。
觸摸傳感應(yīng)用中的電容式傳感器
近接電容式傳感技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)和消費產(chǎn)品應(yīng)用。MPR083和MPR084器件為設(shè)計人員的控制面板應(yīng)用提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的機(jī)械按鈕和開關(guān)選擇。雖然這兩款器件的外形各不相同，但它們都采用了觸摸板技術(shù)。
觸摸板。這只是檢測手指是否存在的一個無接觸區(qū)。原始檢測輸出是給出觸摸條件的單一位。開發(fā)觸摸面板時需要重點注意以下三點：
1. 觸摸板的電極設(shè)計和平面圖;
2. 觸摸面板表面的不同絕緣材料;
3. 不同環(huán)境條件的電場測量影響。
下面這個表示式顯示了這三個注意事項之間的關(guān)系。
其中C電容(F);A為平板面積(m2);d為平板間的距離(m);k隔離平板物質(zhì)的介電常數(shù);e0自由空間的電容率(8.85x10-12F/m)
圖2 電容器模型
電極尺寸和間距之間的交互會影響對第三維(如圖3)中的物體感應(yīng)能力。電極越大，量程也越大，敏感度越強(qiáng);但是，它們更容易受到周圍環(huán)境的干擾、電噪音和偏離電場路徑的影響。同樣，電極之間的間距越大，產(chǎn)生的電場越大，但信號會削弱。在觸摸面板應(yīng)用中，觸摸板只需要有指尖大小就可以了，這就限定了電極的可用尺寸及電極之間的空間。
圖3 近接電容式觸摸傳感器類型
面板表面使用的絕緣材料的效力取決于它的厚度和介電常數(shù)(k)。一般來說，觸摸屏上的絕緣體應(yīng)盡可能薄，而介電常數(shù)應(yīng)盡可能高。但是，厚面板在受到擠壓時介電常數(shù)可能會增大，例如在氯丁橡膠中，這可能意味著實際提供的靈敏度應(yīng)當(dāng)比通常預(yù)期的值要高。
在設(shè)計觸摸面板應(yīng)用時，還必須考慮到環(huán)境影響。雖然指尖的油不會帶來明顯的影響，但水卻可能對附近的觸摸板產(chǎn)生影響，這是因為由于水的介電常數(shù)高，手指與其他電極之間產(chǎn)生了更高的電流路徑。更大的觸摸屏距離可以降低這個影響。在設(shè)計應(yīng)用(尤其是戶外應(yīng)用)時，防止觸摸屏積水也會有所幫助。
隨著觸摸面板顯示屏老化，溫度和濕度可能最終導(dǎo)致電容器性能降低。但是，近接電容感應(yīng)器設(shè)計可以彌補(bǔ)這一缺憾。例如，飛思卡爾的傳感器技術(shù)依賴兩個基準(zhǔn)輸入，其中一個與接近最大預(yù)計電容值的電容器相連，而另一個則與接近最小預(yù)計電容值的電容器相連。這些基準(zhǔn)電容可以用來更正電極測量中由于環(huán)境或與其他組件有關(guān)的變化而導(dǎo)致的誤差。
MPR084近接電容式觸摸傳感器控制器可最多控制8個不同應(yīng)用的觸摸面板控制界面的觸摸板。這包括：
* 家用電器;
* 電腦外設(shè);
* 存取控制;
* MP3播放器;
* 遠(yuǎn)程控制;
* 移動電話。
它使用IC接口與配置操作的主機(jī)控制器進(jìn)行通信，同時使用中斷向主機(jī)通告狀態(tài)變化。它還提供41μA平均電流，監(jiān)視所有觸摸板、專屬的錯誤觸摸拒絕技術(shù)甚至壓電音響器驅(qū)動，向模擬機(jī)械鍵擊提供可選音頻反饋。
圖4 MPR084框圖
