傳感器在手機上的應用資料

1、傳感器原理及應用課程考 核 論 文題 目 電容式感測技術在手機觸摸屏上的應用 班 級 電子信息科學與技術1班 學 號 201140600147 姓 名 陳萬鑫、劉恒源、蔣興瑞 指導老師 遲宗濤 自動化工程學院 電子信息科學與技術系二零一四 年 十二 月電容式感測技術在手機觸摸屏中的應用摘要：隨著傳感器不斷的發(fā)展與成熟，電容式傳感器廣泛應用于壓力、液位、位移等各種檢測中，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領域的發(fā)展作出突出貢獻。電容式傳感器作為一項前途廣闊的新型技術，日益受到人們的重視。特別是智能手機等新型消費電子產(chǎn)品應用了電容傳感器的觸摸屏的風靡，不僅提供方便的控制方式，而且?guī)砹烁玫挠脩趔w驗。引言：電容傳感技

2、術投入應用已長達一個世紀，它具有結(jié)構簡單、動態(tài)響應快、易實現(xiàn)非接觸測量等突出的優(yōu)點，具有著十分廣泛的應用前景，它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領域有具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領域體現(xiàn)其優(yōu)越性。電容式感測用戶界面正作為手機中機械按鍵的一種實用的創(chuàng)新替代方案脫穎而出。雖然電容式傳感器可被視作傳統(tǒng)按鍵的簡易替代方案，但該技術不僅僅是半球型開關的一種升級。當手機采用觸摸式傳感器來實現(xiàn)時，手機制造商在設計中可獲得一種令人激動的嶄新的外觀感覺選擇。 利用電容式傳感器，手機按鍵，即鍵墊（key mat），無需移動式元件就可以實現(xiàn)，這樣會形成平順光滑的接觸表面。此外，設計人員還可在機械

3、按鍵頂端選用電容式感測，輕按會觸發(fā)電容式傳感器，重按則激活機械開關。 整合了這種技術的手機不僅能感測手指的位置，還能感測到手指對按鍵施加壓力的輕重。輕按可能與 號碼簿翻頁有關，重按則可能是往選定號碼撥打 。 近年來手機設計中出現(xiàn)的最引人注目的趨勢之一是電容式傳感器和透明導體的結(jié)合。這種透明鍵墊為設計人員提供了許多具創(chuàng)造性的選擇。 工作原理大多數(shù)觸摸傳感控制器依據(jù)所檢測到的電容變化來工作當某種物體或某個人接近或觸摸傳感器的導電金屬片時，手指與金屬片之間的電容發(fā)生變化。導電物體（如手指）在傳感器附近移動將改變電容傳感器的電場線并使電容發(fā)生變化，并通過控制電路測出電容的變化。電容式感測技術的方式（1

4、）手指電容：所有電容式觸摸傳感系統(tǒng)的核心部分都是一組與電場相互作用的導體。在皮膚下面，人體組織中充滿了傳導電解質(zhì) (一種有損電介質(zhì))。正是手指的這種導電特性，使得電容式觸摸傳感成為可能。 簡單的平行板電容器具有兩個導體，其間隔著一層電介質(zhì)。該系統(tǒng)中的大部分能量分布在電容器極板之間。少許能量會泄露到電容器極板以外的空間，而由這些泄露能量所形成的電場被稱為“邊緣場”。制作實用電容式傳感器的部分難題在于：需要設計一組印制導線，將上述的邊緣場引導到用戶易接近的有效感應區(qū)域中。顯然，對于這種傳感器模式來說，平行板電容器并非上佳之選。 把手指放在邊緣電場的附近將增加電容式傳感系統(tǒng)的導電表面積。由手指所產(chǎn)生

5、的額外電荷存儲容量就是已知的手指電容CF。無手指觸摸時的傳感器電容用CP來表示。在本文中，它代表寄生電容。 關于電容式傳感器的一個常見的誤解是：為了使系統(tǒng)正常工作，手指必須接地。實際上，手指被傳感的原因在于它帶有電荷，而這與其是否懸空或接地完全無關。圖: 手機電容傳感器的機械層疊截面圖系統(tǒng)設計中，機械層疊是一個重要考慮因素，因為手機的外殼日趨纖薄。事實上，傳感器線跡布局不佳和覆蓋膜材料厚度過大是手機SNR偏低的主要原因。電路板一般是柔性電路，在某些情況下，也有可能是一種很薄的剛性板。電路板通過絕緣粘合膜的薄層被安裝在覆蓋膜上，從而提高了從傳感器到覆蓋膜的電場耦合。該粘合層還形成了一個能夠?qū)κ种?/p>

6、輕壓和重壓都穩(wěn)定響應的機械系統(tǒng)。1-3mm的覆蓋膜厚度是比較理想的，這樣可在不過度削弱電容式感測信號的情況下為手機提供所需的封裝機械強度。 （2）透明電容：手機中觸摸感測的最新趨勢是在玻璃或塑料膜上使用氧化銦錫（ITO）。ITO是一種導電材料，作為薄膜運用時是透明的。這種材料已在電阻式觸摸屏中使用多年?，F(xiàn)在，微控制器的最新發(fā)展成果又使電容式觸摸屏成為可能。電阻式觸摸屏由于依賴觸摸表面的機械變形，故很容易損壞，需要更換。而電容式ITO觸摸屏不需要機械變形來實現(xiàn)。電容式ITO觸摸屏超越標準電阻式觸摸屏的優(yōu)點之一就是摒棄了這種易發(fā)生故障的機械模式。（3）指紋識別：電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別

7、,是目前指紋識別最常用的一種。它的優(yōu)點是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。下圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖： 指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當用戶的手指放在上面時，金屬導體陣列/絕緣物/皮膚就構成了相應的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠的）與金屬導體之間的距離不同而變化。整合了這種技術的手機不僅能感測手指的位置，還能感測到手指對按鍵施加壓力的輕重。輕按可能與 號碼簿翻頁有關，重按則可能是往選定號碼撥打 。 手指按壓觸屏感應的示意圖1手指按壓觸屏感應的示意圖2電容式傳感器的接口電路和檢測

8、方法（1）模擬技術：模擬技術是測量頻率或工作周期，這些量因為在手指和地之間引入額外的電容而發(fā)生變化。圖2： 模擬觸摸方案；由于需使用參考地，可能會受到水滴的影響。利用這種技術和高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以把測到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。得益于混合信號技術的進步，最新款電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換器可把高性能模擬前端與低功率高性能ADC集成在一起。模擬接口電路的一個缺點是電容傳感器可能會受到難以捉摸的噪聲、串擾、耦合的影響。另外，傳感器輸出的動態(tài)范圍受到電源電壓的限制，而隨著半導體制造技工藝節(jié)點的縮小該電源電壓在不斷降低。（2）全數(shù)字傳感方法：全數(shù)字傳感方法可避免與模擬方法有關的問題。數(shù)字方法通過使電

9、容成為RC延時線的一部分來檢測傳感器電容的變化。圖3：數(shù)字觸摸方案；在存在水滴時仍具有很棒的性能。 圖3中簡單的全數(shù)字型時間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）測量該延時線相對于基準RC延時線的差并輸出阻抗的變化。寄生電容對RC延時的影響可通過加電補消除。手指碰到傳感器墊片使電容增大進而提高了RC延時時間并導致阻抗變化。把這個阻抗與校準阻抗對比可確定是否發(fā)生了觸摸事件。該傳感方案很容易通過調(diào)整RC延時線的電阻來改善性能。電容感測技術在其他方面的應用（1）相對于傳統(tǒng)機械按鈕、滑塊、轉(zhuǎn)輪和開關，電容感測技術控制提供了靈活、可靠且高性價比的替代方案。最新的應用其技術的觸摸傳感器為設計者發(fā)揮其創(chuàng)造性創(chuàng)造了條件，設計

10、者在開發(fā)接口時可隱藏或露出按鈕、或采用其他形態(tài)觸摸板的模式。下面的圖和表格顯示了不同的傳感器形狀和應用。圖4：滑塊、滾輪、觸摸按鈕和臨近傳感應用的例子。表2：各種應用的觸摸控制方案。（2）由于沒有活動部件且易于適應曲面外形，觸摸傳感器開關是汽車應用的理想選擇。但汽車應用對觸摸技術提出了更高的要求，汽車制造商要求提供成本低、工作溫度寬的汽車級觸摸傳感器控制器。關鍵是降低觸摸傳感器方案的總實現(xiàn)成本。價格合適的觸摸傳感器為汽車設計工程師實現(xiàn)新穎的接口特性提供了條件。（3）臨近觸摸技術是電容感測技術的另一種應用。臨近觸摸控制對只有一或兩個按鈕的簡單接口提供了一種有吸引力的替代方案。臨近傳感器易于整合進

11、最終的產(chǎn)品設計中，并具有功耗低和壽命長等長期優(yōu)勢。金屬門把手是一種理想的臨近傳感器應用。極為敏感的傳感器可以檢測到是否有手在接近門把手，系統(tǒng)在檢測到接近行為后會給需要大功率的安防硬件通電。作為汽車報警系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)可把每次臨近檢測記錄下來并通知車主（或許可通過手機）有人多次試圖拉開車門。當金屬物體面積為10mm2，覆膜厚度為1mm時，臨近傳感器可以在距離大于2英寸時檢測到手的接近。除了門把手之外，臨近觸摸還可用于家用電器、MP3播放器、遙控器和移動 。傳感器的發(fā)展前景電容式傳感器有著巨大的應用前景，被認為是將對21 世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術之一，該技術的進步使傳感器驅(qū)動型接口更易于實現(xiàn)，對

12、終端用戶更為直觀和簡單,靈敏度更高和使用體驗更好的電容性觸摸屏將壓倒今天主流的電阻性觸摸屏成為未來手機和其它便攜式設備市場的應用大趨勢,盡管今天電阻性觸摸屏解決方案比較便宜,但它無法像電容性觸摸屏那樣提供流暢的手指滑動響應性能。已有和潛在的傳感器應用領域包括：軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、建筑物監(jiān)測等等。1、 微型化為了能夠與信息時代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技術發(fā)展趨勢保持一致，對于傳感器性能指標（包括精確性、可靠性、靈敏性等）的要求越來越嚴格；與此同時，傳感器系統(tǒng)的操作友好性亦被提上了議事日程，因此還要求傳感器必須配有標準的輸出模式；而傳統(tǒng)的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代；后者主要由硅材料構成，具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點。2、 智能化隨著微處理器技術的不斷進步，電容式傳感器技術正在向智能化方向發(fā)展，所謂智能化就是將傳感器獲取信息的功能與專用的微處理器的信息分析、處理等功能緊密結(jié)合在一起。由于微處理器具有計算與邏