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詳解:電池供電設(shè)備中的電容傳感器設(shè)計

發(fā)布時間:2014-11-17 來源:Riaan du Toit 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】電容式感測技術(shù)是能通過SAR測試的極少數(shù)具有成本效益的技術(shù)之一。電容感測技術(shù)沒有其它傳感器技術(shù)所有的各種限制。在需要最佳性能的復(fù)雜和緊湊的設(shè)計中實(shí)現(xiàn)電容式傳感器時,注意一些關(guān)鍵要點(diǎn)很重要。那么具體如何設(shè)計電池供電設(shè)備中的電容傳感器?
 
平板電腦和手機(jī)等移動設(shè)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。電容感測可以滿足這兩個要求。自電容技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備的接近感應(yīng)。非常有必要指出:感測電極及其尺寸,并非唯一設(shè)計變量。此外,要努力在時刻將品質(zhì)管控牢記在心的前提下,有效地實(shí)現(xiàn)SAR傳感器。
 
電容式接近感應(yīng)技術(shù)概述
 
電容式感測技術(shù)是能通過SAR測試的極少數(shù)具有成本效益的技術(shù)之一。電容感測技術(shù)沒有其它傳感器技術(shù)所有的各種限制。
 
在需要最佳性能的復(fù)雜和緊湊的設(shè)計中實(shí)現(xiàn)電容式傳感器時,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(shè)備地)的。人體地(充分耦合到大地)和設(shè)備地之間的變異會影響性能。下圖顯示了這些潛在變數(shù)。
 
極度敏感:下圖顯示的是一個平行板電容器的理論值。當(dāng)人(無限地平面)接近電容式傳感器(充電的電極)時,情況與下圖類似。將這種水平的敏感性(每毫米屈指可數(shù)幾個毫微微法拉的增量)牢記在心,就更容易理解機(jī)械不穩(wěn)定性和典型設(shè)備放置為什么也可以觸發(fā)此種傳感器。機(jī)械不穩(wěn)定性是指柔性印刷電路(FPC)微米級水平的運(yùn)動或設(shè)備外殼相對于電池或設(shè)備內(nèi)另一個大的接地結(jié)構(gòu)的位置。
1mm×20mm小電極與假想體(地平面)在不同間距下的電容估算
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(shè)計(大小和位置)時不能將參考地置之度外。這是因為,在電極和參考地之間會形成靜電場,其方式與平行板電容器形成的靜電場一樣。從下圖3可見,平行板電容器模型是如何被轉(zhuǎn)換成一個裝置的。
(a)是平行板電容器模型可被轉(zhuǎn)換成設(shè)備測試的例子;(b) 組合視圖,強(qiáng)調(diào)這兩個效果一起決定觸發(fā)距離。
圖3:(a)是平行板電容器模型可被轉(zhuǎn)換成設(shè)備測試的例子;(b) 組合視圖,強(qiáng)調(diào)這兩個效果一起決定觸發(fā)距離。
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如果觸發(fā)平面(假想體、手等)比電極大,則用于計算觸發(fā)距離的一個好的經(jīng)驗公式是:
 
觸發(fā)距離1≈電極長度(1mm寬度內(nèi))
 
或者
 
觸發(fā)距離2≈電極與設(shè)備地之間的距離
 
通常,在這兩個距離中,以最短的那個為主。
 
大多數(shù)情況,增大電極寬度會對觸發(fā)距離產(chǎn)生正面影響。當(dāng)寬度朝設(shè)備地展延,需用上式的觸發(fā)距離2計算時,則對更大電極會產(chǎn)生效果的預(yù)期將不再被滿足。該效應(yīng)如圖4所示。
感應(yīng)盤尺寸和感應(yīng)盤到設(shè)備地距離的影響
圖4:感應(yīng)盤尺寸和感應(yīng)盤到設(shè)備地距離的影響
 
優(yōu)化設(shè)備地以實(shí)現(xiàn)最佳的傳感器性能
 
設(shè)備地和參考地應(yīng)該被認(rèn)定是電極排布和設(shè)計過程的一部分。
 
參考地只能被視為是一種可潛在改進(jìn)對用戶/假想體參考(增加容抗)的元素。此效應(yīng)提高了靈敏度,且可能增加觸發(fā)距離。當(dāng)準(zhǔn)備進(jìn)行SAR驗證時,建議在更孤立(如圖1所示,其中C2很小)的環(huán)境下測試設(shè)備。
電路元件描述顯示了設(shè)備地對感測性能的影響
圖1:電路元件描述顯示了設(shè)備地對感測性能的影響。
 
在隔絕情況下,設(shè)備地會發(fā)揮重要作用。在這種情況,設(shè)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計固定不變的情況下,電極到這些元件的距離應(yīng)盡量遠(yuǎn),如圖4所示。當(dāng)可自由改變設(shè)備地參考區(qū)域時,可調(diào)整(移動或減小)該參考區(qū)域以實(shí)現(xiàn)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)(有時需要多個電極來圍繞一個射頻發(fā)射器件)
 
*檢測距離必須遠(yuǎn)(檢測距離≈電極邊沿長度)
 
*通過金屬孔感測
 
*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(yuǎn)離電極,并在兩者間覆接以屏蔽電纜(見圖5):
 
*檢測距離可能較短(檢測距離<0.5×電極邊沿長度)
 
*與所需檢測距離相比,電極尺寸可能較大
 
*電極附近無大型金屬結(jié)構(gòu)件
 
*傳感器IC可以補(bǔ)償由屏蔽電纜引入的電容性負(fù)載
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不同傳感器IC布局策略描述
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,會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(hù)集成電路和敏感線路不受快速溫度變化的影響。
 
電極位置
 
電極位置是個關(guān)鍵的設(shè)計要素。電極放置區(qū)域通常預(yù)先由射頻(RF)天線的布局策略決定。在此區(qū)域內(nèi)安放傳感器電極對有效的非迭代設(shè)計很重要。設(shè)備通常具有纖薄外形,后蓋、前屏。
 
該設(shè)備通過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(bǔ)償,電極(電極對地耦合)的電容性負(fù)載會減小觸發(fā)距離,特別是對遠(yuǎn)距(>20mm)接近觸發(fā)距離來說。基于此,最好是在電極尺寸(在電極盡可能靠近設(shè)備邊緣條件下)和對SAR測試來說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。
(a)側(cè)剖視圖描述;(b)電極焦點(diǎn)區(qū)域描述
圖6:(a)側(cè)剖視圖描述;(b)電極焦點(diǎn)區(qū)域描述。
相對于假想體測試角的電極焦點(diǎn)區(qū)域。
圖7:相對于假想體測試角的電極焦點(diǎn)區(qū)域。
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電極應(yīng)圍繞射頻天線以提供一個可實(shí)際保護(hù)用戶的方案。另外,還在部分天線覆蓋以假想體、部分天線裸露的情況下,對設(shè)備進(jìn)行了測試,如圖8所示。
SAR測試表明需要用電極圍繞天線
圖8 :SAR測試表明需要用電極圍繞天線
 
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(shè)計電極方案,同時至少留出一個更敏感的閾值選項??赏ㄟ^如下三種方法增加觸發(fā)距離:
 
在進(jìn)行SAR測試的任一側(cè)加大電極尺寸。在SAR測試時,在與假想體發(fā)生更大耦合的同時并不會顯著增加與設(shè)備地的耦合,所以這種影響成為延長觸發(fā)距離的有效方法。
 
增加與設(shè)備外圍部分的耦合。用粘合劑安固電極會消除空氣間隙,并通過將其向具有較少約束性介電特性的介質(zhì)靠攏來優(yōu)化電容場的影響。建議采用定距件(spacer element)以防止機(jī)械不穩(wěn)定性。
 
提高檢測速度,使其更接近典型的人類行為。根據(jù)方案中使用的算法,此舉可能會加大觸發(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(yīng)頻率的綜合測試時,可通過如下方法盡可能降低干擾:
 
進(jìn)行干擾測試時,將用于測試的裝置盡可能靠近待測的最終產(chǎn)品。記住:所有額外的連線都會作為射頻能量的接收器。雖然一個串聯(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(dāng)采用長的非屏蔽導(dǎo)線時,電源線可以會受到射頻干擾。
 
結(jié)論
 
遵照此處提到的指導(dǎo)原則,可以用最短的設(shè)計周期、無需使用過于敏感的接近閾值來實(shí)現(xiàn)電容式接近傳感器。通過為特定設(shè)備優(yōu)化電極設(shè)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。
 
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