利用电荷转移提高电容传感器性能

虽然电容传感技术投入应用已长达近一个世纪，但只是最近才成为一种主流设计技术。其应用潜力十分巨大，已被许多现代产品所采用，从替换机械开关到乘客探测系统，以及洗衣机滚桶晃动校正等。对于多数设计者，他们最关心的电容传感器的特性只有两条，即应用稳定性和设计简易性。

在ic方案出现以前，希望实现电容传感电路的设计人员遇到了一系列实际困难，最主要的就是灵敏度问题。例如，要依靠手指接触触发来替换机械开关的按键，感应电路就必须能分辨出传感器电极、人体与地面耦合之间只有几个皮法的电容提升，因此其必须具有很高的灵敏度，但这会产生因温度和时间造成的漂移（见图1）。另外，高灵敏模拟电路也特别容易受到干扰，因此在灵敏度与选择性之间需要进行权衡，而手指大小不一和定位误差等因素也将使问题更加复杂。其他干扰信号，如esd冲击或水气，在制造厂商内部是难以清除的，因此所有现代电容传感器ic都具备了避免误差机制，希望能禁止出现假的探测信号。

图1 用手指接触触发来替换机械开关的按键

当然，避免误差机制无法补偿可靠性先天不足的传感技术。许多看似设计不错的电路当遇到温度突变、水气或者来自荧光灯和变速电机等各种日常家庭环境的电气干扰时，就会出现故障，很多设计人员都遇到过这个问题。分析目前电容传感器基本技术可以发现，工程师普遍希望在一些苛刻的应用，如移动电子设备中，电容传感器能具备可靠的性能。

最普通的电容传感器是电场式，它自身会产生参考信号并加到传感器电极上，再通过与另一个极板上信号水平的比较来得出测量结果。这个参考信号通常是一个频率约100～200khz的正弦波，之所以选择这样的频率是为了把ems问题降至最低，同时也能形成一个可行的信号传输通道。当手指或者其他导电物体接通两个感应电极时，手指将吸收部分耦合导致信号水平下降。对该信号进行解调和过滤，产生一个直流电平，加到比较器的一个输入端，参考电压则加在另一个输入端为探测用户触摸动作设定阈值。该方法仅依赖于几个皮法的电容增幅来进行探测，因此极易受到水气的影响。低频干扰抑制也是个问题，因为有许多信号源发射的波峰和谐波都在接收器的带宽内。这些都意味着使用这种技术的芯片需要包括相当多信号处理逻辑功能，以抑制虚假探测结果，同时模拟前端的灵敏性需要进行连续的漂移补偿。

另一种方式利用了张弛振荡器。这种方案中，一个恒流源给传感电极的可变电容充电，该电容连接到比较器的一个输入端，参考电压连接到另一个输入端(见图2)。恒流源给电极电容充电，产生一个斜坡电压，该电压随时间变化线性上升，直到达到参考电压的水平。随后，比较器的输出改变状态，形成一个开关，与电容并联给其放电，比较器的输出回复到初始状态，然后重复这一过程。

图2 基于张驰振荡器的方案

在实际应用中，调整电路响应的阈值水平通常会降低灵敏度，这就要求用户的手指定位非常明确，或者使用薄面板材料。造成这种现象的一个原因是恒流源具有非常高的输出阻抗，易受电气干扰和电极表面污染的影响；另外，精确补偿恒流源以实现稳定的直流电压也是难以实现的。这意味着任何自动校准都必须考虑芯片工作温度范围内相对较大的输入频率变化。

此外，pcb布局也变得更加重要且难以控制，因为从芯片到键位电极的线路含有寄生电容，且各键位的这种电容相差巨大。更糟糕的是，由于pcb基板介电属性和铜线宽度的不同，这些难以预料的误差项在各设备间是不同的。由于工作频率基本上是单调的，外部噪声源也很容易与这些电路发生干扰。值得指出的是，张弛电容器技术的独立发起人建议在生产过程中对每个按键进行校正。这种代价高昂的步骤是必要的，因为该技术的动态范围非常有限。而由于湿气形成分子水膜而造成微小的泄漏路径会引起键位失去基准，应用这种技术的产品也很少销往热带地区。

还有一点，一家对该技术非常推崇的厂商认为它是现有各种用户可编程混合信号处理器ic的一种应用。这就提出了一个问题，它到底是设计电容传感器的最佳方法，还是销售现有硅片的一种手段。

还有更好的办法

可靠的技术依赖于这样一个事实，如果电源把电容器充电到一个已知水平，它将保持这个水平，直到外部条件引起放电。在实际应用中，quantum公司开发的qt芯片采用了一个用微控制器控制mosfet开关的方法，会在短暂的非重要时间内给按键传感电极施加一个固定电压。这个电极可以是任何导电物体，如pcb焊盘或铟锡氧化(ito)层，尤其是ito层，特别适合于取代触摸屏应用中的轻蚀电阻层。

“电荷转移”或叫“qt”的原理是这样的：传感电极上的电荷会转移到一个较大的参考取样电容器上，电荷在该电容器上积累，持续多个开关周期，经过固定多个周期之后，一个adc会测量所积累的电压；或者，将参考电容器上的电压积累到参考电压的水平，然后控制逻辑电路会记录到达该电压值所需要的周期数目，并对参考电容器进行放电。第二个方法需要较长的时间来获得信号，但不需要模拟元件或者adc，使得捕捉过程成本非常低。探测机制靠用户手指加入到电极的背景电容，提高了基于adc电路的转换值，或者降低基于比较器电路中的qt周期个数(见图3)。qt电路动态范围可以轻松超过10位，这样能够使用自动标定算法来取消生产标定。

图3 电荷转移的机理

由于加到传感电极上的电压来自一个相对低阻抗电源(概念上只是电源阻抗和mosfet的导通电阻)，较难受到干扰。为了降低emc问题，需使用展频脉冲调制。这种做法能连续改变取样脉冲的间隔，因此没有一个单调取样频率，而采用rc或者张弛振荡器等基于充电的电容传感电路根本不可能做到这点。因为干扰电容传感器的多数噪声源都是单调的或者占用相对较窄的带宽，所以该技术可显著地提高抑制干扰的能力。而且，水气薄膜提供了一个阻抗相对较高的导电路径，而电路的阻抗非常低，因此qt电路也不容易受这种膜所产生的漏电流的影响。

这种传感器具有足够高的灵敏性，可以透过厚达100mm的玻璃分辨用户手指而不受电气和环境干扰。对于像从厨房电器到mp3播放器等可能存在湿气的应用，这种取样方法可提供很强的抗rf干扰能力，而且对于水膜的干扰也有很强的抵抗力。水膜可以在整个感应板上形成一个二维电阻和电容性负载，并融入本地环境。自动校正和漂移补偿程序允许芯片耐受1℃/s或者可能在厨房电器中出现的更高温度变化速度，对滤波器的要求是能进行多个连续探测以便从随机干扰信号如esd冲击中筛选出有效的按键事件。对于空间有限的键盘，一项获得专利的相邻按键抑制功能会评估相邻键位呈现出的信号水平，并从相邻键位中隔离出用户真正想按的键位。