電容式傳感器原理以及在電子設計中的各類應用分析
好像在突然之間，電容式傳感器就無處不在了。它被安裝在汽車座位里以控制氣囊配置和安全帶預緊裝置，在洗碗機和干燥機中以校正旋轉桶的狀態(tài)，甚至冰箱也使用其來控制自動去冰過程。但是直到現在，它最大的潛在應用領域還是觸摸開關，觸摸開關已越來越多地出現在消費電子產品中。
因為混合信號I C工藝得到廣泛的采用，電磁流量計這種技術允許芯片設計師優(yōu)化芯片的模擬和數字子系統(tǒng)，以構建具有前所未有的靈敏度和耐用性的電容式傳感器，而且成本是機械式開關所不能比擬的。
一、電容傳感器簡介
電容傳感器，英文名稱為capacitive type transducer，是一種將其他量的變換以電容的變化體現出來的儀器。電容式傳感器將被測非電量的變化轉換為電容量變化的傳感器，它結構簡單，體積小，分辨率高，具有平均效應，測量精度高，可實現非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作，廣泛應用于壓力、差壓、液位、振動、位移、加速度、成分含量等方面的測量。
電容傳感器主要由上下兩電極、絕緣體、襯底構成，在壓力作用下，薄膜產生一定的形變，上下級間距離發(fā)生變化，導致電容變化，但電容并不隨極間距離的變化而線性變化，其還需測量電路對輸出電容進行一定的非線性補償。
二、電容傳感器分類
電容式傳感器一般由兩個平行電極構成，在其兩個電極之間以空氣作為介質，在不考慮邊緣效應的前提下，其電容可表示為C=εS/d，
式中，ε為電容極板間介質的介質參數，ε=ε0εr,其中ε0真空介電參數，εr為極板間介質的相對介電常數；S為兩平板所覆蓋的面積；d為兩平行板之間的距離。
由式中可見，當S,d,和ε中任一參數發(fā)生變化時，電容量C也隨之發(fā)生變化，通過測量電路就可以轉換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數型3種。
三、電容傳感器原理
電容傳感器也稱為電容物位計，其電容檢測元件基于圓筒形電容器原理進行工作，圓筒形電容器主要由兩個相互絕緣的同軸圓柱極板構成，在兩個極板之間填充介質，則該電容器的容量即為C=εS/d，其中，ε表示兩極板間介質的介電常數，L表示兩極板之間相互重合的長度，D表示外面的圓柱形極板的直徑，d表示里面的圓柱形極板的直徑，由于在固定情況下進行測量時，其D、d、e三個參量是不會變的，因此可根據測量的電容量得知其液位高度。
四、電容傳感器優(yōu)缺點
電容式傳感器較電阻式傳感器、電感式傳感器而言具有一定的優(yōu)勢，但其也并不是完美無缺的，其也有缺點存在，下面我們就對電容式傳感器的優(yōu)缺點進行整合：
優(yōu)點：價格便宜、實惠；靈敏度高、準確性好；結構簡單；惡劣環(huán)境下也可適用；溫度穩(wěn)定性好；具有平均效應；動態(tài)響應性好；過載能力強。
缺點：輸出非線性；寄生電容、分布電容的靈敏度、測量精確度易受影響，不穩(wěn)定；連接電路較復雜。
五、電容傳感器如何工作
電容式傳感器基本上可以分成三類：電場傳感器、基于弛張振蕩器的傳感器以及電荷轉移(QT)器件。電場傳感器通常會產生數百kHz的正弦波，然后將這個信號加在電容一個極板的導電盤上，并檢測另外一個導電盤上的信號電平。當用戶的手機或另外的導體對象接觸到兩個盤的時候，接收器上的信號電平將改變。通過解調和濾波極板上的信號，可能獲得一個直流電壓，這個電壓隨電容的改變而變化；將這個電壓施加在閾值檢測器上，即可以產生觸摸/無觸摸的信號。
弛張振蕩器使用了一個電極盤，其上的電極電容構成了鋸齒波振蕩器中的可變定時單元。通過將恒定電流饋入到電極線，電極上的電壓隨時間線性增加。該電壓提供給比較器一個輸入，而比較器的輸出連接到一個與電極電容并行連接的接地開關上。當電極電容充電到一個預先確定的閾值電壓時，比較器改變狀態(tài)，實現開關動作對定時電容放電，打開開關，這個動作將周期性的重復下去。其結果是，比較器的輸出是脈沖串，其頻率取決于總的定時電容的值。電磁流量計傳感器根據不同的頻率改變來報告觸摸/無觸摸狀態(tài)。
QT器件利用了一種稱為電荷保持的物理原理。舉例來說，開關在一個短時間內施加一個電壓到感應電極上對其充電，之后開關斷開，第二個開關再將電極上的電荷釋放到更大的一個采樣電容中。人手指的觸摸增大了電極的電容，導致傳輸到采樣電容上的電荷增加，采樣電容因此改變，據此就能得出檢測結果。
QT器件在突發(fā)模式采樣之后即進行數字信號處理，這種方法能提供比競爭方案更高的動態(tài)范圍和更低的功耗，而自動校準例程可以補償因為環(huán)境條件改變帶來的漂移。更重要的是，這種方法足夠靈敏，在電流透過厚的面板時不需要一個參考地連接，因此適合電池供電的設備。一般可用多輸入通道實現滑動按鍵或旋轉按鍵，而專用的QT系列芯片只用三個分辨率為7位（128點）的通道就能實現高分辨率線性滑動或旋轉界面。
六、電容傳感器其他應用可能性
很多設計師都利用QT芯片來替代電阻式觸摸屏。因為該方法只需要將單透明層鋪設在屏幕上用于感測，與多層電阻式技術相比，對光線的吸收大大降低。OEM廠家還使用多通道傳感器來實現可編程的不透明觸摸表面，面板的配置由軟件來調配，這能幫助降低材料成本。同樣的辦法還為用戶依據個人喜好配置觸摸屏提供了可能，用戶可從網絡服務器下載規(guī)格，或者自己運行一個配置程序。
這種技術打開了很多應用之門，例如電磁流量計使用了平面位置檢測QT器件，終端用戶在移動電話的數字鍵盤上移動就可以輸入中文或其他復雜字符。但是這種技術的最大應用是平面坐標觸摸屏，在這種應用中，下表面感測薄膜可以替代電阻式屏，而單層薄膜獲得高透明度和低成本，不需要在前面板中開孔。
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