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感測器/MEMS  

電池供電裝置的電容式感測設計

上網時間: 2014年11月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電容器  感測器  電極  接地  SAR 

Riaan du Toit,Azoteq公司應用工程師

平板電腦和手機等行動裝置通常需要近接感測器實現特定吸收率(SAR)查驗和近耳(on-ear)檢測。使用電容式感測能夠滿足這兩項要求,特別是自電容型技術正廣泛地應用於行動裝置的近接感測。值得注意的是:感測電極及其尺寸並非唯一的設計變數。本文著重於探討如何有效利用電容式感測的電極參考(電池接地),以及提出另一項因用戶導致的變數參考(近地);此外,並強調在考慮品質管控的前提下有效建置SAR感測器。

電容式近接感測技術

電容式感測技術是極少數通過SAR測試的高成本效益技術之一。電容式感測技術能夠解決其它感測器技術的所有限制。在需要最佳性能的精巧設計中建置電容式感測器時,必須注意一些關鍵要點:

取決於電池接地:所有的感測器測量都是相對於電池接地(裝置接地)進行的。在人體接地(充分耦合至近地)和裝置接地之間的變異會影響性能。圖一顯示這些潛在變數。

電路元素描述顯示裝置接地影響感測性能
圖1:電路元素描述顯示裝置接地影響感測性能

極度靈敏:圖2顯示一個平行板電容器的理論值。當人(無限接地層)接近電容式感測器(充電電極)時,情況與圖2類似。牢記這種靈敏度(每毫米僅幾毫微微法拉變化),就更容易理解機械的不穩定性,以及為什麼典型裝置佈局也能觸發這種感測器。機械不穩定性是指可撓性印刷電路(FPC)微米級範圍的移動,或裝置外殼相對於電池本身或對裝置內另一個更大接地結構的位移。

一個1mm×20mm小型電極與虛擬主體(接地層)在不同距離時的電容估計
圖2:一個1mm×20mm小型電極與虛擬主體(接地層)在不同距離時的電容估計。

最佳化電極尺寸

在進行電極設計(大小和位置)時必須將接地參考納入考慮。這是因為在電極和接地參考之間形成靜電場的方式與平行板電容器形成電場一樣。從圖3可看出平行板電容器模型如何被轉換成一種裝置。

(a)平行板電容器模型可被轉換成裝置測試;(b)典型耦合至裝置接地示例(c)組合視圖,強調兩種效果共同決定觸發距離
圖3:(a)平行板電容器模型可被轉換成裝置測試;(b)典型耦合至裝置接地示例(c)組合視圖,強調兩種效果共同決定觸發距離。

如果觸發平面(虛擬主體、手等)比電極本身更大,用於計算觸發距離的經驗法則是:


大多數情況下,增加電極寬度將會對觸發距離產生正面影響。當寬度朝裝置接地擴展,需採用上式的‘觸發距離2’計算時,將會失去更大電極所產生的預期效果。其效應如圖4所示。

最佳化裝置接地提升感測器性能

裝置接地和近地參考應該被視為電極佈局和設計過程的一部份。近地參考則應該只被視為一種可潛在為裝置改善對用戶/虛擬主體參考(增加電容)的元素。這種效應提高了靈敏度,而且可能導致增加觸發距離。

當準備進行SAR驗證時,建議在隔離(如圖1所示,其中C2很小)的環境下測試裝置。

裝置接地可在隔離情況下發揮重要作用。在此情況下,裝置接地到電極的距離直接影響到可能的最大檢測距離。在電池位置、印刷電路板(PCB)接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儘量越遠越好,如圖4所示。而在能夠自由改變裝置接地參考區域時,可調整(移動或減少)接地層以實現特定的觸發距離。

感應墊尺寸以及感應墊到裝置接地距離的影響
圖4:感應墊尺寸以及感應墊到裝置接地距離的影響。

感測器IC的位置

根據以下條件選擇在何處放置感測器IC:

感測器IC接近電極(如圖5),如果:

  .電極必須很小(如20mm×1mm,有時需要多個電極圍繞一個RF發射元件)

  .檢測距離必須很遠(檢測距離?電極邊緣長度)

  .必須通過金屬孔感測

  .大型金屬物件接近擬置放電極區域

感測器IC遠離電極,並以保護電纜覆蓋二者之間的距離(見圖5),如果:

  .檢測距離可能較短(檢測距離<0.5×電極邊緣長度)

  .電極尺寸可能較所需檢測距離更大

  .電極附近無大型金屬結構元件

  .感測器IC可補償由保護電纜導入的電容負載

不同的感測器IC佈局策略。
圖5:不同的感測器IC佈局策略。

電容器式感測器在測量近接訊號電平時,對於溫度的變化相當敏感。一般的建議是將感測器IC放置於隔絕板上,以保護IC和敏感線路不至於受到溫度快速變化的影響。

電極位置

電極位置是一項關鍵的設計要素。電極放置區域通常預先由射頻(RF)天線的佈局策略決定。在此區域內放置感測器電極對有效的非反覆設計十分重要。裝置通常具有纖薄外形,以及前顯示器與後蓋。

(a)側剖視圖;(b)電極焦點區域
圖6:(a)側剖視圖;(b)電極焦點區域

該裝置通過所有測試角度最小觸發距離的SAR測試。經查驗的薄邊(如圖6)通常具有最小觸發距離。雖然進行了補償,電極(電極對接地耦合)的電容負載會減少觸發距離,特別是遠距(>20mm)近接觸發距離。因此,最好是在電極尺寸之間找到最佳折衷之道,同時專注於靠近薄邊的電極以及在SAR測試中的其他重要元件。圖7顯示以不同角度(A、B和C)進行SAR測試的情況,突顯了電極位置的重要性。

相對於虛擬主體測試角度的電極焦點區域
圖7:相對於虛擬主體測試角度的電極焦點區域。

電極應該圍繞RF天線周圍,以提供一項可實際保護用戶的方案。此外,在部份天線覆蓋虛擬主體、部份天線裸露的情況下,針對裝置進行測試,如圖8所示。

SAR測試顯示必須採用電極環繞天線
圖8:SAR測試顯示必須採用電極環繞天線。

故障排除:增加觸發距離

一般的建議是基於最佳觸發距離設計電極方案,同時至少保留出一個更靈敏的閾值選項。透過以下三種方法可增加觸發距離:

  .在進行SAR測試時沿任一側增加電極尺寸。在SAR測試時,與虛擬主體發生更多耦合的同時並不會顯著增加與裝置接地的耦合,使其成為延長觸發距離的有效方法。

  .增加與裝置週邊部份的耦合。以黏著劑附加電極可消除氣隙,並透過使其接近具有較少限制介電特性的介質以便最佳化受影響的電容場。建議採用定距元素以避免機械不穩定性。

  .提高檢測速度,使其更接近典型的人類行為。根據方案中使用的演算法,此舉可能會加大觸發距離(mm/s)。

RF干擾

在進行涉及RF和電容式感測頻率的整合測試時,可透過以下方法盡可能降低干擾:

在進行干擾測試時,測試裝置應應盡可能地靠近待測的終端產品。值得注意的是,所有額外的連線都可作為RF能量的接收器。雖然串聯電阻通常可使電容式感測器較不受射頻干擾,但當採用較長的未保護線路時,電源線仍可能受到RF干擾。

結論

只要按照文中提到的指導原則,就可以用最短的設計週期建置電容式近接感測設計,而無需使用過於敏感的近接閾值。透過為特定裝置最佳化電極設計,並將接地納入考慮,就能實現具有良好訊息雜訊比(SNR)的定向近接電場。

(參考原文:Capacitive sensing in battery-powered devices - Design considerations,by Riaan du Toit)





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