电容式感测的应用领域现正持续拓展,从手机到计算机、销售点终端机到家电、医疗设备到保全应用系统,电容式感测的应用正不断地出现在我们日常生活之中。
但到底什么是电容式感测? 电容式感测是一种典型以触控来感测的技术,是取代传统机械式按键与滑杆的另一种选择。此外,它还能用来建置触控式屏幕、触控板、以及近距传感器等。电容式感测技术无须感测实际按键,就能侦测到导体。在许多应用中,物体指的是人体的部位,例如手指。
保全系统是电容式感测技术的一个新兴市场,电容式感测在这方面的技术相当多样化,并能应用于许多保全系统的实际装置中。例如用电容式感测按钮或触控屏幕所组成的保全系统键盘,就能取代机械式按键。此外还可运用于近距传感器,例如用于监视门或窗的移动状态。
那么电容式感测技术又是如何运作的? 为了让您了解电容式传感器的运作方式,请看下图1.的单一电容式感测按键剖面图。在某些覆盖层材质下,包括像玻璃之类的材质,配置了能导体铜片区以及导体传感器。而当两个导电体相互接近时,就会产生电容值CP(如图2.所示),即为传感器导体片与接地片耦合产生的寄生电容,一般约在10pF~300pF之间。传感器与接地片近距放置也会产生穿越覆盖层的边际电场。由于人体组织基本上就是一种导体,因此若将手指移到该边际电场的附近,就会增加整个电容系统的导电表面积。
由手指额外提供的电容值CF一般约在0.1pF~10pF之间。虽然手指造成电容改变,但与原寄生电容值比较起来仍相对较小。
传感器所测得的电容值称为CX。没有手指靠近时,CX基本上等于CP;当手指靠近时,CX就会是CP与CF的综合值。(如图2)
在了解电容感测的运作原理后,我们再来看看它在各种保全系统中的相关应用。仔细分析一个保全系统的控制单位,一般可看到当中含有许多按键以及一个显示屏幕。这些机械式按键通常有一个外壳来保护按键。塑料外壳和机械式按键也都可换成电容式感测按钮。在这种环境中,整个按键是一个印在电路板上,并附有一个塑料外层的铜质垫片。若用LED为按钮加上背光亮源,则当关闭LED时,使用者就看不到按钮,会让整个装置更添美感。
如果想进一步利用触控屏幕来取代一般显示器屏幕。现在就能拿掉所有机械式按键,不但可以缩减机板空间,还能加大屏幕尺寸,并维持整个装置原来的尺寸,而且最重要的是按键的功能不再是固定不变。利用触控屏幕,每个屏幕可在不同位置显示按键,并让这些按键执行不同的功能,如此即可大幅增加接口设计的功能选择。
其实仔细观察电容式感测按键,就可看出这是一个微调的近距传感器。若我们变更转向,就能改变侦测物体的距离。一个近距传感器不只能用来侦测物体的位置(例如门或窗),还能侦测出附近出现的人体。当有人走过一扇门,近距传感器就会启动。
运用电容式感测技术开发安全控制系统的关键,就在于要取得一个高弹性的感测解决方案。Cypress Semiconductor公司就推出一款这样的可程序解决方案,这是以PSoC为基础的CapSense解决方案,这是为了能因应电容感测系统会面临的各种设计挑战的最佳化设计。
CapSense 解决方案的电力来源是PSoC混合信号数组,能让研发业者建置在按键、滑杆、触控屏幕、触控板、以及近距传感器中,而且所有功能都集中在一颗单芯片上。预先定义的韧体开发用户模块、参考程序代码与校正工具,都能让研发业者能更快速、容易、且有效率地开发电容式感测应用。
PSoC组件不单只是电容式传感器而已,其中的模拟与数字资源都可运用在各种应用中。所有PSoC组件都具备基本的数字控制能力。PSoC可设定用来驱动LED、控制一组简单的8位PWM、同时透过I2C、SPI、或其它通信协议进行通信作业。具备更高阶功能的装置则需要更多数字及基本的模拟功能。单一PSoC组件可配置成一个电容式传感器及温度计或电压监控器。
PSoC混合信号数组是一套包含数字与模拟资源、闪存与RAM、一组8位微控制器、还有多种其它功能的可配置数组。这些功能让PSoC在CapSense系列产品中能建置各项创新的电容式感测技术。利用PSoC所提供的直觉式开发环境对组件进行配置与重新配置的设定,就可符合所需的设计规格或规格变更。新的感测技术可展现更好的灵敏度与抗噪声能力,并具备更低功耗、以及更快的更新速率。