觸摸傳感應(yīng)用的近接電容式傳感器技術(shù)(08-100)

　　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。現(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(shí)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(diǎn)上。IC自動把未選的節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)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(fèi)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)。