電容傳感器設計優化策略

01 基礎原理

電容原理：電容是指兩個由絕緣材料隔開的導電體之間存儲電荷的能力。電容感應技術不僅適用于人體觸摸，也能廣泛用于探測各類材料和物體。根據平行板電容的原理，電容的變化正比于電極的面積和介電常數，而與電極之間的距離成反比。

工作機制：電容傳感器通過測量兩導電物體間電容的變化來檢測觸摸或接近事件。當手指或其他物體靠近時，會改變電場分布，導致電容增加或減少。這種變化通過電容的等效電路模型來表示，涉及多種電容類型。

測量方法：電容傳感通常采用電荷轉移法，通過重復充電將電荷從傳感電極轉移至采樣電容，并記錄這些充電次數。通過觀察充電次數的變化，可以探測到電容的微小變化。例如，設想一個較小的容器（代表可變電容）被充滿液體（象征電荷），然后將其內容物轉移至一個較大的容器（對應固定電容）中。需要填滿較大容器的次數反映了較小容器的容量。當這個次數發生變化時，就意味著較小容器的容量發生了變化，從而能夠檢測到觸摸或其他互動事件。

另外兩種電容測量方法包括弛豫振蕩器法和固定頻率交流信號法：弛豫振蕩器將電容的變化轉換為頻率的變化，通過監控振蕩頻率的變化可以間接測量電容的改變；固定頻率交流信號法則是利用一個已知電容和一個未知電容，在固定頻率的交流信號作用下，電容的變化會導致電壓的差異。通過比較已知電容和未知電容引起的電壓變化，可以測量出電容的變化。

02 分類與應用

自電容與互電容：自電容傳感器主要通過檢測單個電極相對于地面的電容變化來實現簡單的觸摸識別。而互電容傳感器則通過測量兩個電極之間的電容變化，更適用于實現復雜的多點觸控功能。

自電容的測量重點在于監測電極與地面之間電容的變化，這一變化通常在1到10皮法之間。在大型應用中，采用環形設計能夠減少整體電容，并擴大檢測范圍。而對于小型應用，建議采用單一的實心電極板以滿足檢測需求。

互電容技術依靠兩個獨立電極結構——發送電極（Tx）和接收電極（Rx）——來識別觸摸，這要求將它們分別連接至微控制器的兩個引腳上。當用戶的手指觸碰到Tx和Rx電極交叉點時，會擾動兩電極間的電場，造成互電容的減少，相當于在兩電極之間引入了一個接地效應。這樣引發的互電容變化量通常不超過1pF。

03 設計優化策略

設計目標：傳感器設計的關鍵在于平衡感應范圍和系統穩定性，以提升靈敏度和準確性。目標是在觸摸時最大化電容增量（CTouch）并最小化寄生電容。這要求精細設計電極的形狀和大小，并挑選合適的覆蓋層材料及厚度。 ?

電極設計：電極的形狀和面積對于最大化信號至關重要。傳感器的尺寸越大，與目標物體的接觸面積越廣，其感應范圍也就越廣。未加屏蔽的接近傳感器能提供廣泛的360度感應范圍，但接地結構的干擾可能降低其靈敏度。

接地結構的存在會使電極發射的電場線主要聚集在電極與接地之間，限制電場的方向和防止從不期望的角度觸發傳感器是必要的。為此，可以采納接地屏蔽或驅動屏蔽技術。

接地屏蔽：接地屏蔽通過在傳感器背面增加接地層來阻止電場向該方向擴散，但此舉會縮短感應距離，因為它引入了額外的寄生電容，同時地面會吸收周圍的電場線。

驅動屏蔽：驅動屏蔽技術在傳感器下方添加一層導電層，該層攜帶與傳感器相同的驅動信號，通過配置為電壓跟隨器的運算放大器來維持電位差為零。當傳感器與屏蔽層的驅動信號相位和電位一致時，兩電極間將不形成電場。此外，屏蔽層會把傳感器的電場推至其前方，達到有效的屏蔽效果。這樣不僅減少了寄生電容的干擾，還保持了傳感器對接近物體的高敏感度，從而提高了信噪比。

降低寄生和干擾：為了增強充放電效率，電極和走線設計上需采用低電阻率材料。然而，系統內的寄生電容會削弱觸摸引起的電容變化，導致電容變化難以精確測量。例如，在20pF寄生電容的條件下，觸摸可能引起電容變化高達25%，但若寄生電容增至100pF，觸摸引起的變化僅有5%。為減少寄生電容的影響，我們需要擴大走線與接地層之間的距離，并可采用鏤空接地設計以進一步優化性能。

對于應用較大電極的場景，比如接近感應，走線的最大長度需控制在120毫米以內，同時走線應保持盡可能的細度。在設計互電容系統時，應避免讓發送（TX）和接收（RX）的走線靠得太近，以防止檢測距離受到影響。

覆蓋層：覆蓋層設計既能增強外觀和保護性，也會對靈敏度產生影響，因此需謹慎選擇非金屬材料。覆蓋層的厚度和介電常數直接決定了電場的傳導效率，使用高介電常數的材料可以減輕厚覆蓋層對靈敏度的負面影響。對于空氣間隙這類低介電常數情況，使用特定的橋接材料是必要的，其效果從優到劣依次為：金屬彈簧、導電泡沫、碳纖維、聚碳酸酯、ABS、硅膠。

在自電容傳感應用中，使用較薄的覆蓋層可以獲得更高的靈敏度。而在互電容應用中，適度增加覆蓋層的厚度能夠在某種程度上增強靈敏度。對比不同材料的特性，我們發現FPC的溫度漂移相對較大，而LDS技術的溫度漂移則較小。

供電方式：供電方式顯著影響接近檢測的靈敏度，特別是在電池供電的系統中，設備與地球之間的耦合度降低。例如，在下圖所示的電容閉環中，由觸摸傳感器的人體（C1）、電極與電路模塊路徑（C3，表示模塊與地球的耦合）以及人體與地球的耦合（C2）共同構成。此時，由于C3相對較小，會削弱C1的檢測效果。為了增強電池供電系統的檢測性能，可以通過增加系統的接地面積或采用物理接地方式來加強設備與地球之間的耦合，從而增大C3的值。

市電供電系統由于與地球共享接地，因此展現出更高的靈敏度。在這種系統中，由于不需要模塊與地球之間的電容耦合（C3），因此參考系統更為穩定（僅涉及一個變量電容：C1）。因此，在良好接地的系統中，相比于電池供電設備，靈敏度更高，從而C1的細微變化可以被更容易地偵測到。

04 技術挑戰與未來趨勢 ? 技術挑戰：隨著設備趨向于更加輕薄的設計，如何在有限空間內維持高性能成為電容傳感器面臨的重大挑戰。 ? ? 電源方式的影響：傳感器的靈敏度受到電源供電方式的顯著影響，設計時需要考慮優化電容耦合，以提升檢測性能。 ? 未來趨勢：得益于低成本優勢，電容傳感技術正朝著更高靈敏度、更小尺寸和更低功耗的方向發展，這預示著未來將出現更多創新的應用和設備。 ? ?

? ? ? 05 參考資料 [1].?Microchip Capacitive Proximity Design Guide-Microchip [2].?CapTIvate Technology Guide-TI [3]. Capacitive Sensing Design Guide-Azoteq? ?

審核編輯：黃飛