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作者：Azoteq公司應用工程師 Riaan du Toit 平板電腦和手機等移動(dòng)設備一般需要接近傳感器實(shí)施特定吸收率(SAR)查驗和近耳(on-ear)檢測。電容感測可以滿(mǎn)足這兩個(gè)要求。自電容技術(shù)廣泛應用于移動(dòng)設備的接近感應。非常有必要指出：感測電極及其尺寸，并非唯一設計變量。此外，要努力在時(shí)刻將品質(zhì)管控牢記在心的前提下，有效地實(shí)現SAR傳感器。 電容式接近感應技術(shù)概述 電容式感測技術(shù)是能通過(guò)SAR測試的極少數具有成本效益的技術(shù)之一。電容感測技術(shù)沒(méi)有其它傳感器技術(shù)所有的各種限制。 在需要最佳性能的復雜和緊湊的設計中實(shí)現電容式傳感器時(shí)，注意一些關(guān)鍵要點(diǎn)很重要： 與電池地的關(guān)聯(lián)：所有的傳感器測量都是相對于電池地(設備地)的。人體地(充分耦合到大地)和設備地之間的變異會(huì )影響性能。下圖顯示了這些潛在變數。 極度敏感：下圖顯示的是一個(gè)平行板電容器的理論值。當人(無(wú)限地平面)接近電容式傳感器(充電的電極)時(shí)，情況與下圖類(lèi)似。將這種水平的敏感性(每毫米屈指可數幾個(gè)毫微微法拉的增量)牢記在心，就更容易理解機械不穩定性和典型設備放置為什么也可以觸發(fā)此種傳感器。機械不穩定性是指柔性印刷電路(FPC)微米級水平的運動(dòng)或設備外殼相對于電池或設備內另一個(gè)大的接地結構的位置。 
圖1：電路元件描述顯示了設備地對感測性能的影響。
圖2：1mm×20mm小電極與假想體(地平面)在不同間距下的電容估算。 優(yōu)化電極尺寸 在進(jìn)行電極設計(大小和位置)時(shí)不能將參考地置之度外。這是因為，在電極和參考地之間會(huì )形成靜電場(chǎng)，其方式與平行板電容器形成的靜電場(chǎng)一樣。從下圖3可見(jiàn)，平行板電容器模型是如何被轉換成一個(gè)裝置的。
圖3：(a)是平行板電容器模型可被轉換成設備測試的例子；(b) 組合視圖，強調這兩個(gè)效果一起決定觸發(fā)距離。 如果觸發(fā)平面(假想體、手等)比電極大，則用于計算觸發(fā)距離的一個(gè)好的經(jīng)驗公式是： 觸發(fā)距離1≈電極長(cháng)度(1mm寬度內) 或者 觸發(fā)距離2≈電極與設備地之間的距離 通常，在這兩個(gè)距離中，以最短的那個(gè)為主。 大多數情況，增大電極寬度會(huì )對觸發(fā)距離產(chǎn)生正面影響。當寬度朝設備地展延，需用上式的觸發(fā)距離2計算時(shí)，則對更大電極會(huì )產(chǎn)生效果的預期將不再被滿(mǎn)足。該效應如圖4所示。
圖4：感應盤(pán)尺寸和感應盤(pán)到設備地距離的影響 優(yōu)化設備地以實(shí)現最佳的傳感器性能 設備地和參考地應該被認定是電極排布和設計過(guò)程的一部分。 參考地只能被視為是一種可潛在改進(jìn)對用戶(hù)/假想體參考(增加容抗)的元素。此效應提高了靈敏度，且可能增加觸發(fā)距離。當準備進(jìn)行SAR驗證時(shí)，建議在更孤立(如圖1所示，其中C2很小)的環(huán)境下測試設備。 在隔絕情況下，設備地會(huì )發(fā)揮重要作用。在這種情況，設備地到電極的距離對可能的最大檢測距離有直接影響。在電池位置、印刷電路板(PCB)地和機械結構設計固定不變的情況下，電極到這些元件的距離應盡量遠，如圖4所示。當可自由改變設備地參考區域時(shí)，可調整(移動(dòng)或減小)該參考區域以實(shí)現特定的觸發(fā)距離。 傳感器集成電路(IC)的位置 基于下列條件，選擇在何處放置傳感器集成電路。 在下列條件下，將傳感器芯片靠近電極(參照圖5)： *電極必須很小(例如：20mm×1mm)(有時(shí)需要多個(gè)電極來(lái)圍繞一個(gè)射頻發(fā)射器件) *檢測距離必須遠(檢測距離≈電極邊沿長(cháng)度) *通過(guò)金屬孔感測 *在擬安放電極的位置附件，有大型金屬件 在下列情況下，將傳感器芯片遠離電極，并在兩者間覆接以屏蔽電纜(見(jiàn)圖5)： *檢測距離可能較短(檢測距離<0.5×電極邊沿長(cháng)度) *與所需檢測距離相比，電極尺寸可能較大 *電極附近無(wú)大型金屬結構件 *傳感器IC可以補償由屏蔽電纜引入的電容性負載
圖5：不同傳感器IC布局策略描述。 電容式傳感器在測量接近信號電平時(shí)，會(huì )受到溫度變化的影響。一般的建議是將傳感器IC安放在隔絕板上，以保護集成電路和敏感線(xiàn)路不受快速溫度變化的影響。 電極位置 電極位置是個(gè)關(guān)鍵的設計要素。電極放置區域通常預先由射頻(RF)天線(xiàn)的布局策略決定。在此區域內安放傳感器電極對有效的非迭代設計很重要。設備通常具有纖薄外形，后蓋、前屏。 該設備通過(guò)了所有角度的最小觸發(fā)距離的SAR測試。薄邊(如圖6)通�？勺鳛樵u判最小觸發(fā)距離的參照。雖然進(jìn)行了補償，電極(電極對地耦合)的電容性負載會(huì )減小觸發(fā)距離，特別是對遠距(>20mm)接近觸發(fā)距離來(lái)說(shuō)�；诖�，最好是在電極尺寸(在電極盡可能靠近設備邊緣條件下)和對SAR測試來(lái)說(shuō)其它要素間找到最佳的折中辦法。圖7顯示了以不同角度(A、B和C)進(jìn)行SAR測試的情況，突顯了電極位置的重要性。
圖6：(a)側剖視圖描述；(b)電極焦點(diǎn)區域描述。
圖7：相對于假想體測試角的電極焦點(diǎn)區域。 電極應圍繞射頻天線(xiàn)以提供一個(gè)可實(shí)際保護用戶(hù)的方案。另外，還在部分天線(xiàn)覆蓋以假想體、部分天線(xiàn)裸露的情況下，對設備進(jìn)行了測試，如圖8所示。
圖8 ：SAR測試表明需要用電極圍繞天線(xiàn) 故障排除 增加觸發(fā)距離：一般的建議是基于最佳觸發(fā)距離設計電極方案，同時(shí)至少留出一個(gè)更敏感的閾值選項�？赏ㄟ^(guò)如下三種方法增加觸發(fā)距離： 在進(jìn)行SAR測試的任一側加大電極尺寸。在SAR測試時(shí)，在與假想體發(fā)生更大耦合的同時(shí)并不會(huì )顯著(zhù)增加與設備地的耦合，所以這種影響成為延長(cháng)觸發(fā)距離的有效方法。 增加與設備外圍部分的耦合。用粘合劑安固電極會(huì )消除空氣間隙，并通過(guò)將其向具有較少約束性介電特性的介質(zhì)靠攏來(lái)優(yōu)化電容場(chǎng)的影響。建議采用定距件（spacer element）以防止機械不穩定性。 提高檢測速度，使其更接近典型的人類(lèi)行為。根據方案中使用的算法，此舉可能會(huì )加大觸發(fā)距離（具體表述：毫米/秒）。 射頻干擾：在進(jìn)行涉及RF和電容式感應頻率的綜合測試時(shí)，可通過(guò)如下方法盡可能降低干擾： 進(jìn)行干擾測試時(shí)，將用于測試的裝置盡可能靠近待測的最終產(chǎn)品。記�。核蓄~外的連線(xiàn)都會(huì )作為射頻能量的接收器。雖然一個(gè)串聯(lián)電阻通�？墒闺娙菔絺鞲衅鲗ι漕l干擾具有一定免疫力，但當采用長(cháng)的非屏蔽導線(xiàn)時(shí)，電源線(xiàn)可以會(huì )受到射頻干擾。 結論 signal-to-noise ratio can be achieved.遵照此處提到的指導原則，可以用最短的設計周期、無(wú)需使用過(guò)于敏感的接近閾值來(lái)實(shí)現電容式接近傳感器。通過(guò)為特定設備優(yōu)化電極設計、加之對參考地的考慮，可獲得具有良好信噪比的定向接近場(chǎng)。 |
