引 言
1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體在穿過磁場時產(chǎn)生與移動速度直接成正比的電壓：導(dǎo)體移動速度越快，電壓就越高。現(xiàn)在，感應(yīng)式近接傳感器使用法拉第的電磁感應(yīng)定律，無需實(shí)際接觸傳導(dǎo)材料就能檢測到它們的距離。然而，這些傳感器的最大不足之處是它們只能檢測金屬導(dǎo)體，并且不同類型的金屬對檢測范圍也會帶來一定影響。
另一方面，近接電容式傳感器遵守同一原理，但是能夠檢測具有傳導(dǎo)性的任何事物或不同于傳感器電極環(huán)境介電性能的任何事物。隨著人機(jī)界面設(shè)計更多地采用觸摸面板來可靠地響應(yīng)命令，近接電容式傳感器變得越來越普及。現(xiàn)在在大量不同的控制面板應(yīng)用中，飛思卡爾的先進(jìn)的MPR083和MPR084近接電容式觸摸傳感器控制器能夠取代開關(guān)和按鈕。MPR083 器件支持8方向旋轉(zhuǎn)界面，而MPR084 器件則能夠控制多達(dá)8個觸摸板。
1 近接電容式傳感器概述
近接電容式傳感是一項(xiàng)支持觸摸檢測的技術(shù)，它通過測量電容和展示電容變化來反映周圍材料的變化。某些傳感器通過生成電場并測量該電場所遭受的衰減，進(jìn)而測出變化。與感應(yīng)式傳感器不同的是，近接電容式傳感器能夠檢測具有傳導(dǎo)性的任何事物或不同于傳感器電極環(huán)境介電性能的任何事物。它們是出色的觸摸板支持工具，由于我們?nèi)梭w的主要成分是水，具有很高的介電常數(shù)；并且我們體內(nèi)包含離子物質(zhì)，這使得人體成為很好的電導(dǎo)體。
在近接電容式傳感器中，飛思卡爾使用了多種技術(shù)。MC33794、MC33941和MC34940產(chǎn)品系列在傳感器集成電路（IC）中包含振蕩器電路，以生成高純度、低頻率5V正弦波，并由39000歐姆負(fù)載電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個AC信號被饋入復(fù)用器里，復(fù)用器然后將信號定向傳輸?shù)竭x定的電極/參考引腳或內(nèi)部測量節(jié)點(diǎn)上。IC自動把未選的節(jié)點(diǎn)連接到電路接地中，充當(dāng)創(chuàng)建電場電流所需的返回路徑。
當(dāng)物體（例如我們高度絕緣和導(dǎo)電的身體上的一個手指）靠近金屬電極時，就形成了一條電路徑，從而導(dǎo)致電場電流發(fā)生變化。正常情況下，傳感器測量產(chǎn)生電的電場中的AC阻抗，并且將將測量轉(zhuǎn)化成DC輸出電壓。帶有模數(shù)控制器（ADC）的外部微控制器然后會處理這個信息，以執(zhí)行任意數(shù)量的功能，例如與觸摸板控制面板相關(guān)的功能。但是，我們更先進(jìn)的MPR083和MPR084近接電容式觸摸傳感器控制器則通過帶定制尋址的內(nèi)置集成電路（I2C）生成數(shù)字輸出，因此不需要外部ADC。
這種測量方法涉及RC振蕩器技術(shù)，該技術(shù)采用GPIO檢測準(zhǔn)確電壓變化。GPIO在0.5x Vdd時完成從低到高的過渡，并通過測量延遲實(shí)現(xiàn)觸摸檢測。MPR08X系列的優(yōu)勢包括功耗更低、智能增加，并對特定微控制器優(yōu)化了傳感器算法。器件和軟件都具有很高的可配置性，而且針對專用傳感器版面設(shè)計還優(yōu)化了控制器。時鐘由寄存器控制，以便實(shí)現(xiàn)精確的電源模式控制，降低功耗。
由于可靠性的提高（無移動部件）、更大的設(shè)計自由和更時尚的外觀，近接電容式觸摸傳感正快速受到設(shè)計人員的歡迎。
旋轉(zhuǎn)式觸摸輪是一組呈環(huán)狀排列的觸摸板。觸摸輪不只檢測手指的存在，而且檢測手指在觸摸輪表面的位置。這個表面是指旋轉(zhuǎn)式輪內(nèi)周與外周間的面積。
MPR083近接電容式觸摸傳感器控制可以控制8方向旋轉(zhuǎn)觸摸輪和線性滑軌應(yīng)用。電容式滑軌是一個延伸的觸摸板，可以沿滑軌長度檢測手指位置。原始檢測輸出是一個給出觸摸條件的單位和一個給出位置信息的多位字。
音量控制是電容式滑軌的典型應(yīng)用。
MPR083器件具有與MPR084觸摸傳感器控制器相同的特性，包括通用引腳輸出，從而簡化了控制面板、開關(guān)更換、旋轉(zhuǎn)式和線性滑軌及觸摸板實(shí)施的管理。
2 近接電容式傳感器的其他應(yīng)用
盡管觸摸傳感是近接電容傳感器的一個增長最為迅速的市場，但它們也被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)、工業(yè)和汽車市場中的大量其他創(chuàng)新應(yīng)用。例如：
2.1 液位傳感
一個使用近接電容傳感測量液位的簡單設(shè)計，需要在水柱中放置垂直電極條，進(jìn)而在水柱壁上形成垂直的電容器。當(dāng)水柱變空時，就形成一個電容器。但裝滿水后，電容器就一分為二，其中一個裝滿空氣（電介質(zhì)為1），另一個裝滿水（電介質(zhì)約為80）。簡單的算法可以確定液體高度。但在諸如洗衣機(jī)等應(yīng)用中，由于加入了清潔劑，并且出現(xiàn)了灰塵和其他雜質(zhì)，該系統(tǒng)無法補(bǔ)償不同的介電屬性。
更尖端的電容系統(tǒng)使用梯度電極。這種電極排列需要將兩個厚度不等的電極板彼此重疊。隨著液位上升，電極的不同位置將與水“接觸”，從而可以提取它們之間的唯一比率。這個比率將與液位直接相關(guān)，而這個位置的絕對值將提供電介質(zhì)信息。這些信息可以用來估計水中的肥皂和污物含量。
2.2 近接傳感
近接電容傳感器的另外一個常見用途基于其檢測物體近接性的能力。電容器模型等式（1）顯示，電容與兩個電容器極板（1/d）之間的距離呈反比。在典型應(yīng)用中，傳導(dǎo)電極極板應(yīng)是其中一個電容器極板，而感應(yīng)對象則充當(dāng)另一個電容器極板。
雖然距離和電容之間的關(guān)系是一種漸近關(guān)系，但這類傳感器更適合在近接中需要高分辨率應(yīng)用中。例如，飛思卡爾MC34940近接電容式觸摸傳感器將極板中的1英尺作為電極，檢測距離在1英寸外的一支手。
近接傳感技術(shù)在眾多市場的安全應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。例如，它們可以檢測車內(nèi)是否有人，甚至能確定他們的個頭大小，以觸發(fā)安全帶警報，為安全氣囊部署系統(tǒng)提供寶貴的數(shù)據(jù)。
3 多電極和屏蔽驅(qū)動技術(shù)
飛思卡爾的MC33794、MC33941和MC34940近接電容式觸摸傳感器可以支持多個電極，為一個芯片控制的幾個應(yīng)用提供平臺，即便這些應(yīng)用的間距很大。但是，由于電極信號是通過電線或同軸電纜發(fā)射到傳感器IC上的，所以它們會因?yàn)橥饨绺蓴_而削弱。為了最大限度減少干擾，飛思卡爾在這些部件中都融入了一個屏蔽驅(qū)動。
屏蔽驅(qū)動電路提供電極返回的AC信號的緩沖版本。因?yàn)樗c電極信號具有相同的振幅和相位，兩個信號之間沒有很大差別或者差別很小，因此抵消了任何電場。實(shí)際上，屏蔽驅(qū)動把電極信號從外部虛擬接地中隔離開來，實(shí)現(xiàn)盡可能精確的遠(yuǎn)程電極測量，如同它們離IC很近一樣。
一個常見應(yīng)用是將屏蔽驅(qū)動連到與電極和對應(yīng)電極端子相連的同軸電纜屏蔽上。
屏蔽驅(qū)動技術(shù)的另外一個典型應(yīng)用是驅(qū)動觸摸傳感器電極陣列后面的接地平面，來抵消可能削弱AC信號的任何虛擬接地。屏蔽驅(qū)動限制了邊緣電場的信號損失，因此有助于確保最強(qiáng)大的可能電場，而且在觸摸面板中還能增強(qiáng)觸摸板的靈敏度。
屏蔽驅(qū)動技術(shù)不僅使開發(fā)人員能夠用最少的近接電容式觸摸傳感器來驅(qū)動大量獨(dú)立應(yīng)用，而且還能設(shè)計大量的獨(dú)立電極，在更廣泛的區(qū)域內(nèi)執(zhí)行同一功能，例如能夠感應(yīng)到乘客甚至跟蹤乘客移動的智能腳墊。
近接傳感與無線協(xié)議（如ZigBee技術(shù)）的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了更廣泛的控制和與局域網(wǎng)連接，應(yīng)用機(jī)會將層出不窮。安全、照明、集成的娛樂控制和通用近接檢測，這些只是眾多利用近接電容傳感技術(shù)優(yōu)勢（如便利性和價格相對低廉的）的應(yīng)用示例中的幾個。
