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利用弹簧构建电容式感应器

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电容式感应相对于传统机械开关而言是一种稳健的替代方案。不过,有些应用不能在覆盖层下直接安置印刷电路板,也不能将印制电路板连接到设备外壳上。这类应用包括炉灶、洗衣机、电冰箱、微波炉等家用电器以及收音机、电视调谐器、控制面板、座位上的乘员检测系统 (Seat occupant detection) 等各种车辆电子装置。

金属弹簧感应器 (spring sensor) 可用来替代固态电导式感应器 (solid conductivesensor),这样,PCB 的位置就可以远离覆盖层,并能在震动强烈或温度急剧变化的工作条件下提供可靠的感应器连接。此外,弹簧还可提供背光照明、融合机械和电容按钮等其它功能

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www.eetchina.com 利用弹簧构建电容式感应器 作者: Petro Koblyuk, Vasyl Mandziy, Andriy Ryshtun 赛普拉斯半导体公司 电容式感应相对于传统机械开关而言是一种稳健的替代方案。不过,有些应用不能在覆盖 层下直接安置印刷电路板,也不能将印制电路板连接到设备外壳上。这类应用包括炉灶、 洗衣机、电冰箱、微波炉等家用电器以及收音机、电视调谐器、控制面板、座位上的乘员 检测系统 (Seat occupant detection) 等各种车辆电子装置。 金属弹簧感应器 (spring sensor) 可用来替代固态电导式感应器 (solid conductive sensor),这样,PCB 的位置就可以远离覆盖层,并能在震动强烈或温度急剧变化的工作 条件下提供可靠的感应器连接。此外,弹簧还可提供背光照明、融合机械和电容按钮等其 它功能。 弹簧电场模拟 为了对比弹簧感应器与固态电导式感应器之间的行为,必须要对相关对象的电场进行建 模。图 1 和图 2 显示了利用 Comsol Multiphysics ver. 3.2 创建的固态电导式感应器 和弹簧感应器的电场情况。 Finger Overlay Equipotent Lines of the Electrical Field Sensor 图 1. 典型的 PCB 感应器电场分布 www.eetchina.com www.eetchina.com Finger Overlay Equipotent Lines of the Electrical Field Spring 图 2. 弹簧电场分布 在对固态电导式感应器和弹簧感应器建模时,我们假定以下情况: • 覆盖层为无机玻璃:相对介电常数 e = 4.2;厚度 = 4 mm。 • 将手指建模为金属椭圆体:高度 = 20 mm;直径 = 10 mm。 • 固态电导式感应器为固态金属环:直径 = 10 mm;厚度 = 0.1 mm。 • 弹簧感应器用中空的金属圆筒建模:高度 = 20 mm;直径 = 10 mm;金属厚度 = 1 mm。 图 1 显示,从固态电导式感应器传播到手指之的电场是从感应器的上表面发出的。图 2 显示,从弹簧(圆筒)传播到手指的电场则是从感应器的上表面以及侧表面发出的。这也 就是说,弹簧的灵敏度稍优于含有较厚覆盖层的固态电导式感应器,因为弹簧感应器能形 成较大的电场。上述假设通过计算触摸电容值得到了证实,我们将在下一节详细讨论这个 问题。 手指触摸感应电容的模拟 为了明确覆盖层厚度对手指触摸增加电容 (FTC) 的影响,我们仍用相同的固态电导式感 应器和弹簧感应模拟器进行建模,但覆盖层厚度从 1 毫米增加到了 10 毫米。 www.eetchina.com Introduced Capacitance, pF www.eetchina.com 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 2 4 6 8 10 12 Thickness of the Overlay, mm Spring Solid Sensor 图 3. FTC 和覆盖层厚度比较图 此外,为了明确弹簧的最佳物理尺寸,FTC 的相关性将根据其高度、直径和弹簧线粗细等 参数进行建模。图 4 至图 6 显示的是 FTC 相关性与不同模拟参数的关系。 Introduced Capacitance, pF 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Height of the Spring, mm 图 4. FTC 和弹簧高度 Introduced Capacitance, pF 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 5 10 15 20 25 Diameter of the Spring, mm 图 5. FTC 和弹簧直径 www.eetchina.com Introduced Capacitance, pF www.eetchina.com 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0 1 2 3 4 5 6 Wire Thickness of the Spring, mm 图 6. FTC 和弹簧线厚度 模拟结果的分析 从图 1 和图 2 可以明显看出,当手指放在感应器上时,弹簧和固态电导式感应器的灵敏 度相同。当手指位置稍偏感应器中心时,这两种感应器的灵敏度都会下降,但弹簧感应器 的灵敏度略强于电导式感应器。手指放置位置偏离时,弹簧感应器上信号较强是弹簧感应 器的一大优势,尤其是在滑块 (Slider)应用 中(如下所示),这种优势则更加明显。 图 3 显示,如果覆盖层厚度为 2 毫米或更厚,弹簧感应器的灵敏度会更高。图 4 至图 6 给出了更适于获得最佳电容特性的弹簧物理尺寸。 选择弹簧物理尺寸的建议 弹簧的高度应为 5 毫米或以上。超过这一范围,敏感度则不会再随着弹簧的高度增加而 增强,但也不会导致性能下降;因此,电路板和覆盖层之间的距离可以根据需要相应延 长。如果弹簧的高度低于 5 毫米,弹性、敏感度和侧面敏感度等特性就会受到影响。 对于 4 毫米厚的覆盖层,为了获得最佳的弹簧灵敏度,弹簧的直径不得小于 10 毫米 (如图 5 所示)。在特定情况下,如果弹簧的灵敏度相对于选定的覆盖层而言已经足 够,则可选用直径较小的弹簧。 如图 6 所示,当 FTC 的变动范围仅介于数百分之一皮法 (Picofarad)之间时,弹簧线的 粗细不会对电容特性产生太大的影响。因此,弹簧线的粗细应由对弹簧所要求的强度来决 定。总体来说,弹簧线的粗细应介于 0.3~1.5 毫米之间。 根据模拟的中间结果,弹簧感应器的自身电容一般会大于相同直径的固态电导式感应器。 当采用 CSD 方法时,可通过保护电极来加以补偿(如欲了解关于 CSD 和保护电极的更多 信息,请参见参考资料一)。 www.eetchina.com www.eetchina.com 不同形状的弹簧的使用 在实际应用中可以使用不同形状的弹簧。每种形状都有其优缺点。常见的弹簧包括圆形弹 簧、变直径的圆形弹簧以及矩形弹簧等。 图 7. 圆形弹簧 图 8. 直径不同的圆形弹簧 图 9. 矩形弹簧 图 7 显示的是用于标准按钮的圆形弹簧,这种圆形弹簧按钮的制作非常简单,中央的空 间可用于背光或其它目的。图 8 显示的是敏感度更高的圆形弹簧。当覆盖层接触并压下 弹簧时,较宽的一头会缩进,进而形成一个固态感应器,这不仅提高了感应灵敏度,而且 还允许使用更厚的覆盖层。 www.eetchina.com www.eetchina.com 构建滑块更好的办法是使用矩形弹簧(见图 9)。当把几个矩形弹簧排成一行时,就能更 有效地覆盖滑块感应区域。此外,矩形弹簧的宽度小于圆形弹簧,因此能构建包含更多弹 簧感应器的滑块。 弹簧构成的滑块 如前所述,弹簧有一个较高的侧面灵敏度。这种敏感度在滑块应用中是一个优势。如果覆 盖层较厚且使用内插法的话,在断片数量和覆盖层厚度相同的情况下,由弹簧构成的滑块 比固态电导式滑块具有更好的线性度。 Signal Sensor Finger Usual Slider Overlay 图 10. 一般滑块的断片信号 www.eetchina.com www.eetchina.com Signal Sensor Finger Spring Slider Overlay 图 11. 弹簧滑块的断片信号 由于相邻断片电场相互重叠的情况较多,所以弹簧滑块断片信号分布的偏差更大。在使用 形心算法时,不同断片间的电场分布的偏差越小,接触位置计算的线性度就越好。图 12 显示了在覆盖层厚度相同的情况下一般滑块和弹簧滑块的内插法线性图。从图中可以看 出,弹簧滑块的线性较为出色。 Position of Interpolation (i-1) (i) (i+1) Sensors Finger Position Interpolation Linearity of Usual Slider Interpolation Linearity of Slider with Springs 图 12. 不同类型滑块的内插线性比较 在 PCB 上安装弹簧 由于弹簧的侧边灵敏度较高,因此相邻弹簧感应器彼此间的距离应该尽可能远一些,以避 免错误检测。如果感应器间距较小,可增加一个比较层。图 13 给出了弹簧安装范例。 弹簧感应区域的要求与固态按钮的要求一样。如果覆盖层较厚,弹簧直径必须比覆盖层的 厚度大至少 2 至 3 倍,且 PCB 和覆盖层之间的距离必须为 5 毫米或更多。 www.eetchina.com www.eetchina.com >5mm Overlay Overlay Metal Spring Solder PCB Sensing Area VIA Trace to PSoC Solder point Copper Ring Copper-free area Trace to VIAVIAPSoC LED for BackLighting Metal Spring PCB 图 13. 弹簧安装范例 图 14 显示了弹簧的底部投影图 (footprint)。请勿在弹簧下面安放固态接地,因为这会 加大弹簧焊接的复杂度,并增加感应器的原生电容。 图 14. 建议的弹簧底部脚印图 利用弹簧还能开发出更多附加功能,包括: 背光的使用 www.eetchina.com www.eetchina.com 感应器通常需要背光。用弹簧作为感应器能在内部置入 LED 用于实现统一的前面板照 明。可以实现两种类型的背光照明:一、LED 安装在板的上部可提供扩散的背光效果, 二、LED 安装在板的下部则能将光通过开口向上射出,实现聚光效果。大范围的散射光适 用于前面板图标的背光设计,而较窄的聚光适用于状态指示灯的设计。双色 LED 非常适 用于许多既需要背光又需要按钮状态指示的应用。 CapSense 和机械按钮的组合 弹簧内部的中空空间可用来安装机械按钮(见图 15)。触摸这个按钮仅能触发感应器, 而按压该按钮则将同时触发感应器和机械按钮。在此情况下,只有在感应器工作时才能提 供背光、提示等预备动作。在两个按钮同时触发时才能执行最终的动作。例如,在 GPS 导航系统中,触摸按钮仅显示提示信息,只有按压按钮才能进行操作。 Overlay PCB Mechanical Button Spring Sensor 图 15. CapSense 和机械按钮的组合 设计范例 图 16 和图 17 显示了家用电器应用项目的演示范例。 www.eetchina.com www.eetchina.com 图 16. 演示炉灶 图 17. 炉灶前面板 在板和覆盖层之间的空隙处,可用弹簧替代固态电导式感应器。在板的厚度大于几毫米的 情况下,弹簧的灵敏度并不低于标准感应器。同时,使用弹簧具有以下优势: • 在 PCB 和覆盖层之间提供空隙。 • 可使安装的按钮与板之间保留不同的距离,从而更便于支持弯曲的覆盖层。 • 由于弹簧具有弹性,因而能在震动或覆盖层与板之间的距离有所改变的情况下(比 如洗衣机中出现的情况)提供可靠的感应器功能。 • 非常适合较厚的覆盖层。 • 在断片数量和插值比率相同的情况下,可提供比固态导通滑块更好的滑块线性度。 • 便于创建感应器前面板背光。 • 电容感应能与机械按钮组合使用,进一步改善用户界面。 参考资料一:应用说明 AN2398《电容感应——防水电容感应》,详见: www.cypress.com。 www.eetchina.com

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