开电场(E-Field)传感技术的面纱

　　当法拉第(Michael Faraday)引入电场的概念时，他远没有意识到这个概念会对科学产生多大的推动作用。现在，工程师使用电场来感应其它物体的存在，而不需要实际的接触。目前，我们所说的电场传感器或电容传感器正在变得日益普及，用于各种低成本的长期应用。当您更加详细地了解他们的工作原理时，您就会很快明白，它们的普及程度为什么在不断提高。

　　电容传感器的原理

　　当外界物理条件发生变化时，电容传感器也会产生电容变化。某些电容传感器通过生成电场和测量电场的衰减来测量变化。电容传感器与电感传感器有所不同，后者只能检测金属物体，而电容传感器则能检测传感器电极周围的任何物体，无论是导体，还是各种绝缘体。巧合的是，人体正好就是电场成像的很好对象，因为人体中的大部分物质都是水，介电常数很高，还包含了离子物质，这些物质使人体成为很好的电导体。

　　传感器集成电路(IC)中的震荡器电路，如飞思卡尔MC34940电场成像设备，可以生成高纯度的低频5V正弦波，并可由外部39KW负荷电阻调节。该交流信号传输到多路复用器，并由多路复用器将信号定向到选定电极(MC34940支持7个电极)或参考针脚，或定向到内部测量节点。集成电路可自动将未选节点与电路地连接，作为生成电场电流所需的回传路径。

　　当物体—例如介电常数很高的人体的手指—近金属电极时，就会形成一个电流路径(electric path)，电场电流就会发生变化。传感器可以测量所生成的电场的交流电阻，并将测量值转化为直流输出电压。然后，外部微控制器就可以处理这种信息，以执行任何功能，例如与触摸控制板相关的功能。电容接触感应因其具有更高的可靠性(没有移动部件)、更大的设计自由度、更时尚的外观，而倍受设计人员的青睐。



　　与其它方法(例如测量RC震荡器的周期或频率)相比，电容传感器测量交流电阻的方法可以提供更加准确的读数。另外，它可以通过生成纯粹的正弦波，而不是方波，因此信号干扰就不会成为问题。

　　电容传感器的实际应用

　　在各种工业和消费产品中，我们都可以找到电容传感器的身影：PC外围设备、医疗病人监控器、冰箱除霜传感器、销售点终端、车库大门安全传感器。最常用的易于了解的应用是触摸屏和触控面板解决方案。不太明显但同样非常适合电容传感器的应用是液面感应。

　　触控面板—触控面板电场感应的基本原理在上面的图3已经概要说明。在开发触控面板解决方案时，要考虑三个重要问题：

　　* 触控面板的电极设计和布局

　　* 触控面板表面的不同绝缘材料

　　* 不同环境条件对电场测量的影响。

　　上述三个考虑因素之间的关系如下列方程所示。

　　电极大小和间隔之间的关系会影响电极在第三个方向上传感物体的能力(图3 )。更大的电极有更大的范围和传感度，但更容易受到周围环境中的干扰、电子噪音和杂散电场路径的影响。同样，电极之间的空间更大，就会产生更大的电场，但会减弱信号。对于触控面板应用来说，触控板只需适合指尖就行，限制了电极的尺寸以及电极之间的间隔。

　　在触摸板表面使用的绝缘材料的有效性取决于其厚度和介电常数。一般来说，触控面板上的绝缘体应该尽可能薄，介电常数要尽可能高。但是，厚板的介电常数可能会增加，因为它被压缩了，这就意味着氯丁橡胶等物质可以提供高出预期的传感灵敏性。

　　在设计触控面板应用时，您还必须考虑环境的影响。指尖上的油不可能产生很大的影响，而水却会影响触摸板，可能是由于水的介电常数较高，产生从手指到其它电极的更大电流路径。将触控面板之间隔开更大距离，可以减少这种影响，另外还可以设计一些应用，不让水聚集在接触板上，这也会有所帮助，特别是对户外应用。

　　随着触控面板显示屏的老化，温度和湿度可能逐渐降低电容器性能。您也可以设计电容传感器来弥补该缺陷。例如，飞思卡尔的MC33794电场传感器依赖于两个参考输入，一个连接到接近最大电容的电容器，而另外一个连接到接近最小电容的电容器。这些参考电容可用于纠正环境导致的电极测量错误，或纠正其它与组件相关的变化。

　　液面感应—以一个简单设计为例，它使用电场感应来测量液面，在水容量中放置垂直的电极条，从而在水容器的墙壁之间形成垂直电容器。空容器形成了一个电容器。当您注入水时，就将电容器一分为二：一个充满了空气(介电常数为1)，而另一个充满了水(介电常数为80)。使用一种简单算法，您可以确定液体的高度。但遗憾的是，在洗衣机等应用中，这种系统无法补偿不同的介电属性，因为在注入清洁剂时，灰尘和其它杂物都开始出现。

　　更先进的电容系统使用倾斜电极，这种方案采用两块厚度变化的电容板，相互重叠。随着液位升高，电极的不同面积将会接触到水。您就可在它们中间提取一个唯一比率。这个比率与液面直接相关，而触水面积的绝对值就可以提供介电数据信息，您可以使用该信息，估计水中的肥皂和脏物含量。

　　物体远近感应—

　　电场感应的第三个常见用途是检测物体远近。电容器模型方程(图2)表明，电容与两块电容板之间的距离成反比。在普通应用中，将一个导电电极板作为一块电容板，并将想测量的物体作为另一块电容板。

　　由于距离和电容之间的关系是渐近的，所以这种传感器更适合需要近距离内的高分辨率的应用。在一般室内环境中，飞思卡尔的MC34940使用1平方英尺的板作为电极，能够在12英寸的距离内检测到手的存在。可以采用这种技术的典型应用包括门禁控制、安全和唤醒解决方案。

　　多个电极和屏蔽驱动技术

　　电场传感器，如飞思卡尔的MC33794和MC34940能够支持多个电极，提供一个平台，通过一颗芯片控制几个应用，即使这些应用非常分散。由于电极信号通过电线或同轴电缆，将电极信号传输到传感器集成电路，但是，外部干扰会减弱这些信号。为了减少这种干扰，飞思卡尔在组件的每个部分安装了屏蔽驱动。

　　屏蔽驱动电路为电极的返回交流信号提供了一个缓冲版本，因为它与电极信号具有几乎相同的振幅和相位，并且在两个信号之间几乎没有差别，所以消除了电场。实际上屏蔽驱动隔绝了电极信号与外部虚拟场，导致对远程电极的测量好象在IC附近的测量一样准确(图5 )。常见的应用是将屏蔽驱动与共轴电缆屏蔽相连，此电缆用于将电极与相应的电极终端连接。

　　屏蔽驱动技术的另一种常见应用是驱动一个阵列触摸传感器电极之后的磁场板，从而消除会减弱交流信号的虚拟场(图6页)。屏蔽驱动限制了信号在干涉场的丢失，从而确保潜在的强大电场。在触控面板中，这增加了触控面板的敏感度。

　　借助屏蔽驱动技术，开发者可以实现多功能性。它可以使用最少数量的电场传感器集成电路(MC33794支持9个电极，而MC34940支持7个电极)来驱动各种不同的应用。此外，它还可用于设计较大的单独电极阵列来执行相同的功能。例如智能地板可以感应住户，甚至追踪他们的动作。可将电场感应与无线协议(如ZigBee技术)相结合，将控制应用的范围扩展到局域网，带来无穷无尽的应用机会：安全、照明、集成娱乐系统控制和接近检测等，充分利用电场传感技术的便利性和成本低廉的优点。