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2023年利用电荷转移提高电容传感器性能_

变面积式电容传感器的性能

虽然电容传感技术投入应用已长达近一个世纪,但只

是最近才成为一种主流设计技术。其应用潜力非常巨大,已

被很多现代产品所采纳,从替换机械开关到乘客探测系统,

以及洗衣机滚桶晃动校正等。对于多数设计者,他们最关切

的电容传感器的特性只有两条,即应用稳定性和设计简易性。

在IC方案出现以前,希望实现电容传感电路的设计人员遇

到了一系列实际困难,最主要的就是灵敏度问题。例如,要

依靠手指接触触发来替换机械开关的按键,感应电路就必需

能辨别出传感器电极、人体与地面耦合之间只有几个皮法的

电容提升,因此其必需具有很高的灵敏度,但这会产生因温

度和时间造成的漂移(见图1)。另外,高灵敏模拟电路也特

殊简单受到干扰,因此在灵敏度与选择性之间须要进行权衡,

而手指大小不一和定位误差等因素也将使问题更加困难。其

他干扰信号,如ESD冲击或水气,在制造厂商内部是难以清

除的,因此全部现代电容传感器Ic都具备了避开误差机制,

希望能禁止出现假的探测信号。当然,避开误差机制

无法补偿牢靠性先天不足的传感技术。很多看似设计不错的

电路当遇到温度突变、水气或者来自荧光灯和变速电机等各

种日常家庭环境的电气干扰时,就会出现故障,许多设计人

员都遇到过这个问题。分析目前电容传感器基本技术可以发

觉,工程师普遍希望在一些苛刻的应用,如移动电子设备中,

电容传感器能具备牢靠的性能。最一般的电容传感器

是电场式,它自身会产生参考信号并加到传感器电极上,再

通过与另一个极板上信号水平的比较来得出测量结果。这个

参考信号通常是一个频率约100~200kHz的正弦波,之所以

选择这样的频率是为了把EMS问题降至最低,同时也能形成

一个可行的信号传输通道。当手指或者其他导电物体接通两

个感应电极时,手指将汲取部分耦合导致信号水平下降。对

该信号进行解调和过滤,产生一个直流电平,加到比较器的

一个输入端,参考电压则加在另一个输入端为探测用户触摸

动作设定阂值。该方法仅依靠于几个皮法的电容增幅来进行

探测,因此极易受到水气的影响。低频干扰抑制也是个问题,

因为有很多信号源放射的波峰和谐波都在接收器的带宽内。

这些都意味着运用这种技术的芯片须要包括相当多信号处

理逻辑功能,以抑制虚假探测结果,同时模拟前端的灵敏性

须要进行连续的漂移补偿。另一种方式利用了张弛振

荡器。这种方案中,一个恒流源给传感电极的可变电容充电,

该电容连接到比较器的一个输入端,参考电压连接到另一个

输入端(见图2)。恒流源给电极电容充电,产生一个斜坡电

压,该电压随时间改变线性上升,直到达到参考电压的水平。

随后,比较器的输出变更状态,形成一个开关,与电容并联

给其放电,比较器的输出回复到初始状态,然后重复这一过

程。在实际应用中,调整电路响应的闽值水平通

常会降低灵敏度,这就要求用户的手指定位特别明确,或者

运用薄面板材料。造成这种现象的一个缘由是恒流源具有特

别高的输出阻抗,易受电气干扰和电极表面污染的影响;另

外,精确补偿恒流源以实现稳定的直流电压也是难以实现的。

这意味着任何自动校准都必需考虑芯片工作温度范围内相

对较大的输入频率改变。此外,PCB布局也变得更加重

要且难以限制,因为从芯片到键位电极的线路含有寄生电容,

且各键位的这种电容相差巨大。更糟糕的是,由于PCB基板

介电属性和铜线宽度的不同,这些难以预料的误差项在各设

备间是不同的。由于工作频率基本上是单调的,外部噪声源

也很简单与这些电路发生干扰。值得指出的是,张弛电容器

技术的独立发起人建议在生产过程中对每个按键进行校正。

这种代价昂扬的步骤是必要的,因为该技术的动态范围特别

有限。而由于湿气形成分子水膜而造成微小的泄漏路径会引

起键位失去基准,应用这种技术的产品也很少销往热带地区。

还有一点,一家对该技术特别推崇的厂商认为它是现有各种

用户可编程混合信号处理器IC的一种应用。这就提出了一

个问题,它究竟是设计电容传感器的最佳方法,还是销售现

有硅片的一种手段。还有更好的方法

牢靠

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