【導讀】電容式感測技術是能通過SAR測試的極少數(shù)具有成本效益的技術之一。電容感測技術沒有其它傳感器技術所有的各種限制。在需要最佳性能的復雜和緊湊的設計中實現(xiàn)電容式傳感器時，注意一些關鍵要點很重要。那么具體如何設計電池供電設備中的電容傳感器？
平板電腦和手機等移動設備一般需要接近傳感器實施特定吸收率(SAR)查驗和近耳(on-ear)檢測。電容感測可以滿足這兩個要求。自電容技術廣泛應用于移動設備的接近感應。非常有必要指出：感測電極及其尺寸，并非唯一設計變量。此外，要努力在時刻將品質(zhì)管控牢記在心的前提下，有效地實現(xiàn)SAR傳感器。
電容式接近感應技術概述
電容式感測技術是能通過SAR測試的極少數(shù)具有成本效益的技術之一。電容感測技術沒有其它傳感器技術所有的各種限制。
在需要最佳性能的復雜和緊湊的設計中實現(xiàn)電容式傳感器時，注意一些關鍵要點很重要：
與電池地的關聯(lián)：所有的傳感器測量都是相對于電池地(設備地)的。人體地(充分耦合到大地)和設備地之間的變異會影響性能。下圖顯示了這些潛在變數(shù)。
極度敏感：下圖顯示的是一個平行板電容器的理論值。當人(無限地平面)接近電容式傳感器(充電的電極)時，情況與下圖類似。將這種水平的敏感性(每毫米屈指可數(shù)幾個毫微微法拉的增量)牢記在心，就更容易理解機械不穩(wěn)定性和典型設備放置為什么也可以觸發(fā)此種傳感器。機械不穩(wěn)定性是指柔性印刷電路(FPC)微米級水平的運動或設備外殼相對于電池或設備內(nèi)另一個大的接地結(jié)構(gòu)的位置。
圖2：1mm×20mm小電極與假想體(地平面)在不同間距下的電容估算。
優(yōu)化電極尺寸
在進行電極設計(大小和位置)時不能將參考地置之度外。這是因為，在電極和參考地之間會形成靜電場，其方式與平行板電容器形成的靜電場一樣。從下圖3可見，平行板電容器模型是如何被轉(zhuǎn)換成一個裝置的。
圖3：(a)是平行板電容器模型可被轉(zhuǎn)換成設備測試的例子；(b) 組合視圖，強調(diào)這兩個效果一起決定觸發(fā)距離。
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如果觸發(fā)平面(假想體、手等)比電極大，則用于計算觸發(fā)距離的一個好的經(jīng)驗公式是：
觸發(fā)距離1≈電極長度(1mm寬度內(nèi))
或者
觸發(fā)距離2≈電極與設備地之間的距離
通常，在這兩個距離中，以最短的那個為主。
大多數(shù)情況，增大電極寬度會對觸發(fā)距離產(chǎn)生正面影響。當寬度朝設備地展延，需用上式的觸發(fā)距離2計算時，則對更大電極會產(chǎn)生效果的預期將不再被滿足。該效應如圖4所示。
圖4：感應盤尺寸和感應盤到設備地距離的影響
優(yōu)化設備地以實現(xiàn)最佳的傳感器性能
設備地和參考地應該被認定是電極排布和設計過程的一部分。
參考地只能被視為是一種可潛在改進對用戶/假想體參考(增加容抗)的元素。此效應提高了靈敏度，且可能增加觸發(fā)距離。當準備進行SAR驗證時，建議在更孤立(如圖1所示，其中C2很小)的環(huán)境下測試設備。
圖1：電路元件描述顯示了設備地對感測性能的影響。
在隔絕情況下，設備地會發(fā)揮重要作用。在這種情況，設備地到電極的距離對可能的最大檢測距離有直接影響。在電池位置、印刷電路板(PCB)地和機械結(jié)構(gòu)設計固定不變的情況下，電極到這些元件的距離應盡量遠，如圖4所示。當可自由改變設備地參考區(qū)域時，可調(diào)整(移動或減小)該參考區(qū)域以實現(xiàn)特定的觸發(fā)距離。
傳感器集成電路(IC)的位置
基于下列條件，選擇在何處放置傳感器集成電路。
在下列條件下，將傳感器芯片靠近電極(參照圖5)：
*電極必須很小(例如：20mm×1mm)(有時需要多個電極來圍繞一個射頻發(fā)射器件)
*檢測距離必須遠(檢測距離≈電極邊沿長度)
*通過金屬孔感測
*在擬安放電極的位置附件，有大型金屬件
在下列情況下，將傳感器芯片遠離電極，并在兩者間覆接以屏蔽電纜(見圖5)：
*檢測距離可能較短(檢測距離<0.5×電極邊沿長度)
*與所需檢測距離相比，電極尺寸可能較大
*電極附近無大型金屬結(jié)構(gòu)件
*傳感器IC可以補償由屏蔽電纜引入的電容性負載
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圖5：不同傳感器IC布局策略描述。
電容式傳感器在測量接近信號電平時，會受到溫度變化的影響。一般的建議是將傳感器IC安放在隔絕板上，以保護集成電路和敏感線路不受快速溫度變化的影響。
電極位置
電極位置是個關鍵的設計要素。電極放置區(qū)域通常預先由射頻(RF)天線的布局策略決定。在此區(qū)域內(nèi)安放傳感器電極對有效的非迭代設計很重要。設備通常具有纖薄外形，后蓋、前屏。
該設備通過了所有角度的最小觸發(fā)距離的SAR測試。薄邊(如圖6)通常可作為評判最小觸發(fā)距離的參照。雖然進行了補償，電極(電極對地耦合)的電容性負載會減小觸發(fā)距離，特別是對遠距(>20mm)接近觸發(fā)距離來說。基于此，最好是在電極尺寸(在電極盡可能靠近設備邊緣條件下)和對SAR測試來說其它要素間找到最佳的折中辦法。圖7顯示了以不同角度(A、B和C)進行SAR測試的情況，突顯了電極位置的重要性。
圖6：(a)側(cè)剖視圖描述；(b)電極焦點區(qū)域描述。
圖7：相對于假想體測試角的電極焦點區(qū)域。
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電極應圍繞射頻天線以提供一個可實際保護用戶的方案。另外，還在部分天線覆蓋以假想體、部分天線裸露的情況下，對設備進行了測試，如圖8所示。
圖8 ：SAR測試表明需要用電極圍繞天線
故障排除
增加觸發(fā)距離：一般的建議是基于最佳觸發(fā)距離設計電極方案，同時至少留出一個更敏感的閾值選項。可通過如下三種方法增加觸發(fā)距離：
在進行SAR測試的任一側(cè)加大電極尺寸。在SAR測試時，在與假想體發(fā)生更大耦合的同時并不會顯著增加與設備地的耦合，所以這種影響成為延長觸發(fā)距離的有效方法。
增加與設備外圍部分的耦合。用粘合劑安固電極會消除空氣間隙，并通過將其向具有較少約束性介電特性的介質(zhì)靠攏來優(yōu)化電容場的影響。建議采用定距件（spacer element）以防止機械不穩(wěn)定性。
提高檢測速度，使其更接近典型的人類行為。根據(jù)方案中使用的算法，此舉可能會加大觸發(fā)距離（具體表述：毫米/秒）。
射頻干擾：在進行涉及RF和電容式感應頻率的綜合測試時，可通過如下方法盡可能降低干擾：
進行干擾測試時，將用于測試的裝置盡可能靠近待測的最終產(chǎn)品。記住：所有額外的連線都會作為射頻能量的接收器。雖然一個串聯(lián)電阻通常可使電容式傳感器對射頻干擾具有一定免疫力，但當采用長的非屏蔽導線時，電源線可以會受到射頻干擾。
結(jié)論
遵照此處提到的指導原則，可以用最短的設計周期、無需使用過于敏感的接近閾值來實現(xiàn)電容式接近傳感器。通過為特定設備優(yōu)化電極設計、加之對參考地的考慮，可獲得具有良好信噪比的定向接近場。
