好像在突然之间,电容式传感器就无处不在了。它被安装在汽车座位里以控制气囊配置和安全带预紧装置,在洗碗机和干燥机中以校正旋转桶的状态,甚至冰箱也使用其来控制自动去冰过程。但是直到现在,它最大的潜在应用领域还是触摸开关,触摸开关已越来越多地出现在消费电子产品中。
因为混合信号IC工艺得到广泛的采用,这种技术允许芯片设计师优化芯片的模拟和数字子系统,以构建具有前所未有的灵敏度和耐用性的电容式传感器,而且成本是机械式开关所不能比拟的。
如何工作
电容式传感器基本上可以分成三类:电场传感器、基于弛张振荡器的传感器以及电荷转移(QT)器件。电场传感器通常会产生数百kHz的正弦波,然后将这个信号加在电容一个极板的导电盘上,并检测另外一个导电盘上的信号电平。当用户的手机或另外的导体对象接触到两个盘的时候,接收器上的信号电平将改变。通过解调和滤波极板上的信号www.cechina.cn,可能获得一个直流电压,这个电压随电容的改变而变化;将这个电压施加在阈值检测器上,即可以产生触摸/无触摸的信号。
弛张振荡器使用了一个电极盘,其上的电极电容构成了锯齿波振荡器中的可变定时单元。通过
QT器件利用了一种称为电荷保持的物理原理。举例来说,开关在一个短时间内施加一个电压到感应电极上对其充电,之后开关断开,第二个开关再将电极上的电荷释放到更大的一个采样电容中。人手指的触摸增大了电极的电容,导致传输到采样电容上的电荷增加,采样电容因此改变www.cechina.cn,据此就能得出检测结果。
QT器件在突发模式采样之后即进行数字信号处理,这种方法能提供比竞争方案更高的动态范围和更低的功耗www.cechina.cn,而自动校准例程可以补偿因为环境条件改变带来的漂移。更重要的是,这种方法足够灵敏,在电流透过厚的面板时不需要一个参考地连接,因此适合电池供电的设备。Quantum(量研公司)的QT芯片就是采用这种方法。
应用实例
QT芯片出现在一系列具有挑战性的应用中,如微波炉和炉灶面控制。它在这些应用中必须承受很高的湿度、污染挑战。而便携式电子产品也经常面对这种情况,它们所处的环境经常变化,因此QT传感器也非常适合这种应用。QT传感器在干扰下的高电阻对于移动设备来说至关重要,因为它们附近经常有很强的辐射源,如:PC、手机等。
因为这个原因,QT芯片越来越多地在便携式设备中出现。很多领先的亚洲OEM厂商都采用了这种技术,包括DEC、JW Digital、松下和Microstar。例如,在JWM-8110闪存播放器中就采用了QT1080,而Microstar在其Mega Player 536 MP3播放器中采用了QT1101。这些芯片可以工作在2.8~5.5V电源电压下,吸收的电流大约为40μA,专门针对移动电子产品进行了优化CONTROL ENGINEERING China版权所有,采用了5mm×5mm×0.8mm QFN封装,这种封装是空间有限的手机和遥控设备所必需的。QT1080支持8个独立的按键通道,QT1101支持10个通道。两个芯片都包括邻近按键抑制(AKSTM)功能,可以确保芯片正确地识别手指的位置。这个概念很简单,通过比较邻近按键的信号电平来确定最大值,这样就能确定“真正的”手指位置。设计者可以自行选择是否启用AKS功能。QT1080利用一个硬件状态线连接每个输入通道,而QT1101通过一个串行连接输出。像所有的QT芯片一样,这两种方法都利用扩谱搜索自动校准,使噪声抑制最大化。
一般可用多输入通道实现滑动按键或旋转按键,而专用的QT系列芯片只用三个分辨率为7位(128点)的通道就能实现高分辨率线性滑动或旋转界面。例如QT511(该芯片的主要目标应用也是便携式电子产品)使用三个感应通道来驱动通用电气公司的一位发明家于1978年设计的电极图形www.cechina.cn,可返回一个128点的结果。
其他可能性
很多设计师都利用QT芯片来替代电阻式触摸屏。因为该方法只需要将单透明层铺设在屏幕上用于感测,与多层电阻式技术相比,对光线的吸收大大降低。OEM厂家还使用多通道传感器来实现可编程的不透明触摸表面,面板的配置由软件来调配,这能帮助降低材料成本。同样的办法还为用户依据个人喜好配置触摸屏提供了可能,用户可从网络服务器下载规格,或者自己运行一个配置程序。
这种技术打开了很多应用之门,例如使用了平面位置