中心議題：

• 基於PCB設計的電容傳感器
• 測量電容傳感器並且檢測傳感器接觸麵積

因為采用了傳統機械開關，用戶使用電容傳感器接口的方式直接與各種工作條件下（可靠性）接觸傳感器的響應度（靈敏度）相關。本文將介紹一些通用電容傳感器模擬前端測量方法。

靈敏度

電容傳感器的靈敏度是由其物理結構、測量電容的方法和精確比較電容相對於接觸門限電平變化的能力而決定的。采用傳統印製電路板（PCB）方法製造的 電容傳感器的測量範圍通常為1～20pF

，因而很難準確地檢測微小變化。雖然有幾種測量這些電容微小值的方法，但采用16位電容/數字轉換器（CDC）的 高精密測量方法仍然具有明顯的優勢。

基於PCB設計的電容傳感器

製zhi作zuo在zai標biao準zhun印yin製zhi電dian路lu板ban或huo撓nao性xing印yin製zhi電dian路lu上shang的de電dian容rong傳chuan感gan器qi都dou使shi用yong了le相xiang同tong的de銅tong材cai料liao來lai做zuo信xin號hao線xian。在zai這zhe兩liang種zhong情qing況kuang下xia，傳chuan感gan器qi的de最zui大da靈ling敏min度du都dou由you傳chuan感gan器qi的de物wu理li尺chi寸cun、電介質常數以及覆膜厚度所決定。例如，帶有5mm塑料覆膜的3mm厚傳感器不如帶有2mm塑料覆膜的6mm厚傳感器靈敏。

我(wo)們(men)的(de)目(mu)標(biao)是(shi)開(kai)發(fa)具(ju)有(you)正(zheng)確(que)響(xiang)應(ying)並(bing)且(qie)滿(man)足(zu)人(ren)體(ti)工(gong)學(xue)要(yao)求(qiu)的(de)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)。在(zai)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)，傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)能(neng)會(hui)很(hen)小(xiao)，從(cong)而(er)使(shi)用(yong)戶(hu)接(jie)觸(chu)麵(mian)上(shang)產(chan)生(sheng)微(wei)小(xiao)的(de)電(dian)容(rong)變(bian)化(hua)。

圖1和圖2顯(xian)示(shi)了(le)在(zai)印(yin)製(zhi)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)設(she)計(ji)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)兩(liang)種(zhong)常(chang)用(yong)方(fang)法(fa)。圖(tu)中(zhong)給(gei)出(chu)了(le)在(zai)用(yong)戶(hu)接(jie)觸(chu)期(qi)間(jian)施(shi)加(jia)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)時(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)。雖(sui)然(ran)根(gen)據(ju)用(yong)戶(hu)接(jie)觸(chu)方(fang)式(shi)的(de)變(bian)化(hua)，傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)容(rong)會(hui)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)，但(dan)是(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)在(zai)這(zhe)兩(liang)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)相(xiang)差(cha)不(bu)大(da)。

圖1 AD7142電容傳感器的設計

圖2 另一種電容傳感器設計

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激勵電容傳感器

如圖1所示，連續的250kHz方波激勵信號施加在傳感器的SRC端

，以在電容傳感器內建立電場。激勵信號在傳感器中建立電場後，該電場會部分地延伸出塑料覆膜，CIN端連接到CDC上。

圖2所示為另外一種電容傳感器設計案例，其將一個恒流源加到傳感器的A端
，而將B端接地。當用戶觸摸傳感器時會增加額外的手指電容，從而增加了充電周期內RC的上升時間。

測量電容傳感器並且檢測傳感器接觸麵積

圖3xianshileyizhongceliangdianrongdechuantongfangfa。hengliuyuanbuduandiweidianrongchuanganqichongdian，yishiqidadaobijiaoqidecankaomenxiandianping。dangdianrongchuanganqidadaocankaomenxianzhishi
，bijiaoqijiangshuchugaodianpingmaichong，ranhoubihekaiguan，dianrongqifangdianbingqiefuweijishuqi。lingmindumenxiandianpingrutu4所示。

圖3 使用比較器和555定時器或計數器測量電容的傳統方法

圖4 傳統比較器和555定時器或計數器的靈敏度門限電平

要(yao)確(que)定(ding)何(he)時(shi)用(yong)戶(hu)開(kai)始(shi)接(jie)觸(chu)傳(chuan)感(gan)器(qi)，需(xu)要(yao)計(ji)數(shu)器(qi)對(dui)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)充(chong)電(dian)到(dao)比(bi)較(jiao)器(qi)參(can)考(kao)電(dian)平(ping)所(suo)經(jing)曆(li)的(de)時(shi)鍾(zhong)周(zhou)期(qi)數(shu)進(jin)行(xing)計(ji)數(shu)，並(bing)將(jiang)這(zhe)個(ge)值(zhi)與(yu)預(yu)置(zhi)門(men)限(xian)檢(jian)測(ce)設(she)置(zhi)值(zhi)比(bi)較(jiao)。例(li)如(ru)
，計(ji)數(shu)為(wei)50表明傳感器有接觸
，而小於50則ze表biao明ming沒mei有you接jie觸chu。在zai本ben例li中zhong
，當dang用yong戶hu接jie觸chu傳chuan感gan器qi時shi

，其qi準zhun確que度du和he精jing密mi度du與yu參can考kao時shi鍾zhong的de頻pin率lv和he驅qu動dong各ge種zhong電dian容rong傳chuan感gan器qi的de電dian流liu源yuan的de重zhong複fu性xing有you關guan。
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圖5所示是一種較理想的測量電容方法，它使用了高分辨率16位ADC和250kHz的激勵源。激勵源不斷產生250kHz的方波，從而在電容傳感器 中產生電場以及能夠穿透覆蓋材料的磁通量。無論用戶何時接觸傳感器，精密16位ADC都能以1fF測量分辨率來檢測。其無須外部控製元件並且自動校準，所 以可確保不會發生由於溫度或濕度變化引起虛假接觸。

圖5 AD7142模擬前端

一旦將電容傳感器的輸出數字化後
，就可以通過設置相應的16位寄存器來設置每個傳感器的具體檢測門限電平。門限電平可以設置在傳感器滿偏（F.S.）輸出值的25％～95.32％之間。AD7142靈敏度門限電平的設置如圖6所示。

圖6 設置AD7142的靈敏度門限電平

可靠的電容傳感器接口以模擬前端開始
，該前端必須能夠測量用戶接觸電容傳感器時引起的微小輸出變化。現在，新的高集成度CDC使設計工程師從集成有低功耗

、高分辨率Σ-Δ ADC混合信號技術中受益。