Microchip 电容式接近检测设计指南 AN1492 作者 : 简介 Xiang Gao Microchip Technology Inc. 接近检测为用户提供了一种无需物理接触即可与电子设备进行交互的新方法 该技术可提升产品美感, 改进用户体验并降低功耗 为实现接近检测, 人们已使用了许多方法 : 电磁 IR 光学 多普勒效应 电感和电容 每种方法均有各自的优势和局限性 电容传感方法的原理是检测传感器上由于用户触摸或接近而产生的电容变化 对于 Microchip 解决方案, 传感器可以是任何通过可选串联电阻连接到 PIC MCU RightTouch 或 mtouch 现成器件的引脚的导电材料 通常, 传感器附近的任何导电物体或具有高介电常数的物体都会影响传感器电容 与其他非电容式技术相比, Microchip 电容式接近检测解决方案可实现高级软硬件滤波功能, 从而提供可靠的近场检测 同时, 相对于其他解决方案, 它还具有以下几项优势 : 低成本 高度可定制 低功耗并且可轻易与其他应用集成 Microchip 为基于固件的解决方案提供了两种电容采集方法 : 电容分压器 (Capacitive Voltage Divider,CVD) 和充电时间测量单元 (Charge Time Measurement Unit,CTMU) 我们的网站 (www.microchip.com/mtouch) 上提供了有关 CVD 的应用笔记 (AN1478, mtouch 触摸传感解决方案采集方法 : 电容分压器 ) 和有关 CTMU 的应用笔记 (AN1250, Microchip 用于电容触摸应用的 CTMU ) 本应用笔记将介绍如何使用 Microchip 电容传感解决方案实现电容式接近检测器, 提供硬件布线准则, 并分析可对灵敏度产生影响的几种因素 本应用笔记适用于 Microchip mtouch 现成器件 (MTCH101 和 MTCH112) RightTouch 现成器件 (CAP11XX) 以及 Microchip 的带 8 位 10 位或 12 位 ADC 的通用单片机 Microchip 的应用程序库 (MLA, www.microchip.com/mla) 中提供了用于 Microchip 通用单片机的 mtouch 框架和库 该框架和库实现了大量噪声抑制选项, 这些选项是成功的接近检测应用的关键所在 电容传感基本原理 电容传感器通常是印刷电路板上一块金属填充的区域 图 1 给出了电容传感系统的概览 图 1: PCB 电容传感的原理 电容式接近传感器的扫描方式与电容式触摸传感器的扫描方式相同 器件不断监视传感器的电容, 并等待出现重大的变化 接近信号的变化会明显小于触摸信号的变化, 因为它必须在空气 ( 而不是塑料或玻璃 ) 中长距离有效, 空气是最有可能的电场介质 为了维持可靠检测, 系统需要保持良好的信噪比 (Signal-to-Noise Ratio, SNR) 因此, 接近应用的系统设计需要更加细心的考虑 2013 Microchip Technology Inc. DS01492A_CN 第 1 页
物理传感器布线设计 基本设计要素包括传感器的尺寸 传感器相对于接地层和 / 或其他低阻抗走线的位置, 以及 mtouch/righttouch 器件中的具体设置 在遵守几个简单准则的前提下, 可以对器件进行独特的设计, 来检测用户接近或附近金属物体和高介电常数物体的移动 要实现具有高信号强度和低噪声的最大范围检测, 需要满足以下五个关键的物理设计要素 : 尽可能延长传感器与接地层 ( 印刷电路板 (printed circuit board,pcb) 的所有层和附近的金属物体 ) 之间的距离 尽可能增大传感器的尺寸 使用主动保护将传感器与低阻抗走线和接地层屏蔽 尽可能减少传感器在系统中的移动, 以防止错误触发 ( 使用双面胶 粘合剂和夹子等进行固定 ) 对于电池供电的系统, 尽可能增加系统地与传感物体之间的耦合 图 2: 存在 / 不存在接地层时的电场分布 PCB / 接地层 任何紧邻传感器的接地层或金属表面都会使接近检测的范围缩小 接地层对接近检测有两种影响 首先, 如果接地层位于接近物体的路径中, 会导致接近传感器无法检测到该物体 这会大幅减小传感系统的检测范围 在自由空间中, 传感器可向所有方向自由放射电场, 且衰减极少 当接地层介入时, 传感器放射的电场线会在接地层上终止 随着接地层与传感器之间距离的缩短, 电场辐射的强度也逐渐降低 因此, 当接地层与传感器越来越近时, 检测范围会大幅减小 PCB 其次, 当接地层在接近传感器正下方或紧邻接近传感器时, 将使基础电容增大, 这会使检测距离缩短 70%-90% 除了减小接近传感器的检测范围, 还会降低在物体接近时所检测到的变化百分比, 从而降低灵敏度 图 2 显示了接地层是如何影响传感电场的 传感器的形状和结构 每种系统设计都有独特的美感目标以及物理约束 Microchip 建议, 对于大型应用 ( 相框和键盘等 ) 采用环形传感器 ( 空心大型走线 ), 对于小型按钮电路板应用则采用实心焊盘 环形结构可减小 Microchip 器件将检测到的总电容, 从而产生更大的覆盖范围 对于与地的距离有限并且需要使用焊盘区域来产生所需检测范围的小型电路板应用, 焊盘形状是最佳选择 环形传感器可采用任意长宽比 ( 即,20 cm x 20 cm 或 5 cm x 40 cm) 具体由所需的功能和外形来决定 小到 1 cm x 1 cm 的环形传感器可产生较小的接近检测范围 30 cm x 30 cm(30 AWG 导线 ) 的环形传感器可产生较大的接近检测范围 更大的环形结构或更粗的导线可能会超出 Microchip 器件的校准范围 Microchip 建议将总基础电容保持在 45 pf 或更低, 以防止在特殊的使用情况 ( 如针对传感器上碎片的校准 ) 或温度变化 DS01492A_CN 第 2 页 2013 Microchip Technology Inc.
时, 超出器件的校准范围 1 cm x 25 cm(25 cm 2 ) 的细长焊盘非常适合用在 LCD 监视器的底部或侧面 如果有足够的空间, 可以使用 5 cm x 5 cm(25 cm 2 ) 的大焊盘产生大圆顶形的接近检测范围 半径为 2.83 cm ( 约 25 cm 2 ) 的圆形焊盘可提供相似圆顶形的接近检测范围 如果电容过大, 可以去掉正方形或圆形焊盘的中心区域将其转换为环形 物理形状不受限制 传感器形状可以是圆形 椭圆形 正方形 矩形, 甚至是电路板周围的弯曲形状 传感器的总体效果与形状无关, 而是由相对于进入接近检测区域的用户或物体的导体面积决定 接近检测范围与传感器尺寸成正比例 传感器尺寸越大, 提供的接近检测范围也越大 环形传感器可使用实心铜线 ( 带 / 不带绝缘层 ) 柔性电路或在 PCB 上实现 如果使用导线, 实心线或绞线的性能相似, 但实心线在制造过程中更易于装配 导线规格越大, 表面积越大, 提供的检测范围就越大 物理设计将限制可以使用的导线规格 设计可以从 30 AWG 开始增加, 直到实现所需的检测范围 达到美感设计限制或达到校准限制 对于 PCB 环形传感器, 走线越宽, 检测范围越大 可实现传感器的最小走线宽度为 7 mil(0.18 mm), 但更宽的走线可产生更大的检测范围 实心 PCB 焊盘形状需要遵循相同的准则, 尽可能增大面积并减少邻近接地层 图 3 显示了检测距离与传感器尺寸之间的关系 提高 VDD 电压也可以延长检测距离, 因为 VDD 越高, 传感器产生的用于传感的电场越强 表 1 给出了不同传感器尺寸在手与特定设计之间的距离不同时的信号变化 ; 图 4 还显示了信号变化百分比 注 : 变化百分比与最大可靠检测距离没有直接关系 检测距离由信噪比决定 要实现可靠系统, 最大检测距离需要的 SNR 至少为 3.5 图 3: 检测距离与传感器尺寸 10.0000 9.00 8.00 3V (bench Power 7.00 Supply) 6.00 5.00 5V (bench Power 400 4.00 Supply) 3.00 2.00 1.00 0.00 1" 1.5" 2" 2.5" 2013 Microchip Technology Inc. DS01492A_CN 第 3 页
表 1: 信号变化与到五个不同传感器的距离 手与传感器的距离 基线 4" 3" 2" 1" 0.5" 1" 实心焊盘 12317 12365 12410 12480 12650 12930 1.5" 实心焊盘 12345 12420 12490 12576 12860 13170 2" 实心焊盘 13038 13163 13220 13400 13820 14100 2.5" 实心焊盘 13235 13400 13470 13682 14300 14900 3" 实心焊盘 13500 13660 13750 14050 15000 16000 与基线的检测差异 1" 实心焊盘 0 48 93 163 333 613 1.5" 实心焊盘 0 75 145 231 515 825 2" 实心焊盘 0 125 182 362 782 1062 2.5" 实心焊盘 0 165 235 447 1065 1665 3" 实心焊盘 0 160 250 550 1500 2500 相对于基线的信号变化百分比 1" 实心焊盘 0.00% 0.39% 0.76% 1.32% 2.70% 4.98% 1.5" 实心焊盘 0.00% 0.61% 1.17% 1.87% 4.17% 6.68% 2" 实心焊盘 0.00% 0.96% 1.40% 2.78% 6.00% 8.15% 2.5" 实心焊盘 0.00% 1.25% 1.78% 3.38% 8.05% 12.58% 3" 实心焊盘 0.00% 1.19% 1.85% 4.07% 11.11% 18.52% 图 4: 信号变化与检测距离 20.00% 18.00% 16.00% 14.00% 12.00% 10.00% 8.00% 6.00% 4.00% 1" 实心焊盘 solid pad 1.5" 实心焊盘 solid pad 2" 实心焊盘 solid pad 2.5" 实心焊盘 solid pad 3" 实心焊盘 solid pad 2.00% 0.00% 4" 3" 2" 1" 0.5" DS01492A_CN 第 4 页 2013 Microchip Technology Inc.
主动保护 有时, 由于应用设计的约束, 传感器可能非常接近于大型接地区域 通信线路和 LED 控制线路等 所有这些情形都会增大基础电容或在传感器附近产生干扰信号, 从而大幅降低信号的 SNR 主动保护是一种可最大程度地减小基础电容的方法, 它通过降低传感器与其周围环境之间的电势来实现, 它还可以将传感器 / 走线与周围的低阻抗干扰屏蔽 主动保护还可以用于使电场成形, 以通过接地屏蔽在不降低灵敏度的情况下实现定向检测 在图 5 中, 在 PCB 底部的传感器下方放置一个保护层, 使检测范围仅在 PCB 上方 另一种使电场成形的方法是使用相互驱动器, 该驱动器驱动的走线 / 电极与传感器异相 相互驱动器将其电场向内拉而不是向外推 但这种方法会增大基础电容 电源方案分析 接近传感器可以轻易集成到由市电 / 壁式电源或电池供电的不同应用中, 但供电方法对接近检测距离有显著影响 连接市电的系统与电池供电系统之间的差异为接地 通常, 人体与地之间存在强耦合 对于连接市电的系统 ( 图 7), 人体与触摸 / 接近系统共用同一个地 当手指接近传感器时, 会从两个方面增大引脚电容 首先, 它有助于增加传感器与周围接地层之间的耦合电容 C FINGER 其次, 人体相对于地存在一个电容 C BODY 由于它们共用同一个地, 因此 C BODY C FINGER 和 C BASE 为并联 增加的总电容仅为 C BODY 和 C FINGER 之和 ( 图 8) 对于接近传感器,C FINGER 相对于 C BODY 来说通常非常小, 因为接地层与传感器的距离很远 图 5: 具有保护屏蔽的传感器设计 图 7: 两种系统供电方案 C FINGER C BODY C BASE V SS C GND C GND PCB 图 6 给出了一个布线示例 有关如何布线和驱动主动保护的更多详细信息, 请参见应用笔记 AN1478, mtouch 触摸传感解决方案采集方法 : 电容分压器 C BODY C C BASE FINGER V SS 图 6: 具有主动保护布线的传感器示例 2013 Microchip Technology Inc. DS01492A_CN 第 5 页
对于电池供电系统, 人体和传感系统均存在与地的耦合电容, 而且人体通常可在系统与地之间增加更多耦合 (ΔCGND) 在简化的物理模型 ( 图 8) 中,ΔCGND 和 CGND 结合成电容 CGND, 可以将其视为人体与系统地之间的耦合电容 在这种情况下,C FINGER 仍与 C BASE 并联, 但此时 C BODY 与 C GND 串联, 因此人体与系统地之间的耦合成为决定传感器中电容总增加量的重要因素 因此, 要使接近传感器具有良好的灵敏度, 系统与人体应具有良好的耦合 图 9 显示了同一系统与人体存在不同耦合时的灵敏度 如果系统安装在墙上或者任何接近市电电源的位置, 则将系统地与市电电源地连接将是在人体和系统之间建立强耦合并使系统获得最大灵敏度的最简单方法 图 9: F /pf / 电容传感系统的物理模型 图 8: 电容传感系统的物理模型 pf C BODY C FINGER C BASE 总结 Microchip 提供低成本 低功耗 高信噪比和灵活的电容接近检测解决方案 该解决方案适用于大多数应用, 是市场上所有解决方案中需要元件数最少的一个 有关 Microchip 的 mtouch 和 RightTouch 传感技术以及产品的更多信息, 请访问我们的网站 www.microchip.com/mtouch C BODY C GND C FINGER C BASE DS01492A_CN 第 6 页 2013 Microchip Technology Inc.
请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点 : Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标 Microchip 确信 : 在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一 目前, 仍存在着恶意 甚至是非法破坏代码保护功能的行为 就我们所知, 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操作规范来使用 Microchip 产品的 这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性 代码保护并不意味着我们保证产品是 牢不可破 的 代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能 任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视为违反了 数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act) 如果这种行为导致他人在未经授权的情况下, 能访问您的软件或其他受版权保护的成果, 您有权依据该法案提起诉讼, 从而制止这种行为 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含的英文部分, 因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用情况的有用信息 Microchip Technology Inc. 及其分公司和相关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任 如果将 Microchip 器件用于生命维持和 / 或生命安全应用, 一切风险由买方自负 买方同意在由此引发任何一切伤害 索赔 诉讼或费用时, 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任, 并加以赔偿 在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证 QUALITY MANAGEMENT SYSTEM CERTIFIED BY DNV == ISO/TS 16949 == 商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 dspic FlashFlex KEELOQ KEELOQ 徽标 MPLAB PIC PICmicro PICSTART PIC 32 徽标 rfpic SST SST 徽标 SuperFlash 和 UNI/O 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active Thermistor MTP SEEVAL 和 The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Silicon Storage Technology 为 Microchip Technology Inc. 在除美国外的国家或地区的注册商标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro BodyCom chipkit chipkit 徽标 CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial Programming ICSP Mindi MiWi MPASM MPF MPLAB Certified 徽标 MPLIB MPLINK mtouch Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail REAL ICE rflab Select Mode SQI Serial Quad I/O Total Endurance TSHARC UniWinDriver WiperLock ZENA 和 Z-Scale 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 GestIC 和 ULPP 为 Microchip Technology Inc. 的子公司 Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 在除美国外的国家或地区的注册商标 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2013, Microchip Technology Inc. 版权所有 ISBN:978-1-62077-335-2 Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 与位于俄勒冈州 Gresham 的全球总部 设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和印度的设计中心均通过了 ISO/TS-16949:2009 认证 Microchip 的 PIC MCU 与 dspic DSC KEELOQ 跳码器件 串行 EEPROM 单片机外设 非易失性存储器和模拟产品严格遵守公司的质量体系流程 此外, Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证 2013 Microchip Technology Inc. DS01492A_CN 第 7 页
全球销售及服务网点 美洲 亚太地区 亚太地区 欧洲 公司总部 Corporate Office 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel: 1-480-792-7200 Fax: 1-480-792-7277 技术支持 : http://www.microchip.com/ support 网址 :www.microchip.com 亚特兰大 Atlanta Duluth, GA Tel: 1-678-957-9614 Fax:1-678-957-1455 波士顿 Boston Westborough, MA Tel: 1-774-760-0087 Fax: 1-774-760-0088 芝加哥 Chicago Itasca, IL Tel: 1-630-285-0071 Fax: 1-630-285-0075 克里夫兰 Cleveland Independence, OH Tel: 1-216-447-0464 Fax: 1-216-447-0643 达拉斯 Dallas Addison, TX Tel: 1-972-818-7423 Fax: 1-972-818-2924 底特律 Detroit Farmington Hills, MI Tel: 1-248-538-2250 Fax: 1-248-538-2260 印第安纳波利斯 Indianapolis Noblesville, IN Tel: 1-317-773-8323 Fax: 1-317-773-5453 洛杉矶 Los Angeles Mission Viejo, CA Tel: 1-949-462-9523 Fax: 1-949-462-9608 圣克拉拉 Santa Clara Santa Clara, CA Tel: 1-408-961-6444 Fax: 1-408-961-6445 加拿大多伦多 Toronto Mississauga, Ontario, Canada Tel: 1-905-673-0699 Fax: 1-905-673-6509 亚太总部 Asia Pacific Office Suites 3707-14, 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: 852-2401-1200 Fax: 852-2401-3431 中国 - 北京 Tel: 86-10-8569-7000 Fax: 86-10-8528-2104 中国 - 成都 Tel: 86-28-8665-5511 Fax: 86-28-8665-7889 中国 - 重庆 Tel: 86-23-8980-9588 Fax: 86-23-8980-9500 中国 - 杭州 Tel: 86-571-2819-3187 Fax: 86-571-2819-3189 中国 - 香港特别行政区 Tel: 852-2943-5100 Fax: 852-2401-3431 中国 - 南京 Tel: 86-25-8473-2460 Fax: 86-25-8473-2470 中国 - 青岛 Tel: 86-532-8502-7355 Fax: 86-532-8502-7205 中国 - 上海 Tel: 86-21-5407-5533 Fax: 86-21-5407-5066 中国 - 沈阳 Tel: 86-24-2334-2829 Fax: 86-24-2334-2393 中国 - 深圳 Tel: 86-755-8864-2200 Fax: 86-755-8203-1760 中国 - 武汉 Tel: 86-27-5980-5300 Fax: 86-27-5980-5118 中国 - 西安 Tel: 86-29-8833-7252 Fax: 86-29-8833-7256 中国 - 厦门 Tel: 86-592-238-8138 Fax: 86-592-238-8130 中国 - 珠海 Tel: 86-756-321-0040 Fax: 86-756-321-0049 台湾地区 - 高雄 Tel: 886-7-213-7828 Fax: 886-7-330-9305 台湾地区 - 台北 Tel: 886-2-2508-8600 Fax: 886-2-2508-0102 台湾地区 - 新竹 Tel: 886-3-5778-366 Fax: 886-3-5770-955 澳大利亚 Australia - Sydney Tel: 61-2-9868-6733 Fax: 61-2-9868-6755 印度 India - Bangalore Tel: 91-80-3090-4444 Fax: 91-80-3090-4123 印度 India - New Delhi Tel: 91-11-4160-8631 Fax: 91-11-4160-8632 印度 India - Pune Tel: 91-20-2566-1512 Fax: 91-20-2566-1513 日本 Japan - Osaka Tel: 81-6-6152-7160 Fax: 81-6-6152-9310 日本 Japan - Tokyo Tel: 81-3-6880-3770 Fax: 81-3-6880-3771 韩国 Korea - Daegu Tel: 82-53-744-4301 Fax: 82-53-744-4302 韩国 Korea - Seoul Tel: 82-2-554-7200 Fax: 82-2-558-5932 或 82-2-558-5934 马来西亚 Malaysia - Kuala Lumpur Tel: 60-3-6201-9857 Fax: 60-3-6201-9859 马来西亚 Malaysia - Penang Tel: 60-4-227-8870 Fax: 60-4-227-4068 菲律宾 Philippines - Manila Tel: 63-2-634-9065 Fax: 63-2-634-9069 新加坡 Singapore Tel: 65-6334-8870 Fax: 65-6334-8850 泰国 Thailand - Bangkok Tel: 66-2-694-1351 Fax: 66-2-694-1350 奥地利 Austria - Wels Tel: 43-7242-2244-39 Fax: 43-7242-2244-393 丹麦 Denmark-Copenhagen Tel: 45-4450-2828 Fax: 45-4485-2829 法国 France - Paris Tel: 33-1-69-53-63-20 Fax: 33-1-69-30-90-79 德国 Germany - Munich Tel: 49-89-627-144-0 Fax: 49-89-627-144-44 意大利 Italy - Milan Tel: 39-0331-742611 Fax: 39-0331-466781 荷兰 Netherlands - Drunen Tel: 31-416-690399 Fax: 31-416-690340 西班牙 Spain - Madrid Tel: 34-91-708-08-90 Fax: 34-91-708-08-91 英国 UK - Wokingham Tel: 44-118-921-5869 Fax: 44-118-921-5820 11/29/12 DS01492A_CN 第 8 页 2013 Microchip Technology Inc.