傳感器在手機(jī)上的應(yīng)用資料

1、傳感器原理及應(yīng)用課程考 核 論 文題 目 電容式感測(cè)技術(shù)在手機(jī)觸摸屏上的應(yīng)用 班 級(jí) 電子信息科學(xué)與技術(shù)1班 學(xué) 號(hào) 201140600147 姓 名 陳萬(wàn)鑫、劉恒源、蔣興瑞 指導(dǎo)老師 遲宗濤 自動(dòng)化工程學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù)系二零一四 年 十二 月電容式感測(cè)技術(shù)在手機(jī)觸摸屏中的應(yīng)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(yīng)用于壓力、液位、位移等各種檢測(cè)中，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展作出突出貢獻(xiàn)。電容式傳感器作為一項(xiàng)前途廣闊的新型技術(shù)，日益受到人們的重視。特別是智能手機(jī)等新型消費(fèi)電子產(chǎn)品應(yīng)用了電容傳感器的觸摸屏的風(fēng)靡，不僅提供方便的控制方式，而且?guī)?lái)了更好的用戶體驗(yàn)。引言：電容傳感技

2、術(shù)投入應(yīng)用已長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等突出的優(yōu)點(diǎn)，具有著十分廣泛的應(yīng)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(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，在未來(lái)還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性。電容式感測(cè)用戶界面正作為手機(jī)中機(jī)械按鍵的一種實(shí)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(jiǎn)易替代方案，但該技術(shù)不僅僅是半球型開(kāi)關(guān)的一種升級(jí)。當(dāng)手機(jī)采用觸摸式傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，手機(jī)制造商在設(shè)計(jì)中可獲得一種令人激動(dòng)的嶄新的外觀感覺(jué)選擇。 利用電容式傳感器，手機(jī)按鍵，即鍵墊（key mat），無(wú)需移動(dòng)式元件就可以實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)形成平順光滑的接觸表面。此外，設(shè)計(jì)人員還可在機(jī)械

3、按鍵頂端選用電容式感測(cè)，輕按會(huì)觸發(fā)電容式傳感器，重按則激活機(jī)械開(kāi)關(guān)。 整合了這種技術(shù)的手機(jī)不僅能感測(cè)手指的位置，還能感測(cè)到手指對(duì)按鍵施加壓力的輕重。輕按可能與 號(hào)碼簿翻頁(yè)有關(guān)，重按則可能是往選定號(hào)碼撥打 。 近年來(lái)手機(jī)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的最引人注目的趨勢(shì)之一是電容式傳感器和透明導(dǎo)體的結(jié)合。這種透明鍵墊為設(shè)計(jì)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(cè)到的電容變化來(lái)工作當(dāng)某種物體或某個(gè)人接近或觸摸傳感器的導(dǎo)電金屬片時(shí)，手指與金屬片之間的電容發(fā)生變化。導(dǎo)電物體（如手指）在傳感器附近移動(dòng)將改變電容傳感器的電場(chǎng)線并使電容發(fā)生變化，并通過(guò)控制電路測(cè)出電容的變化。電容式感測(cè)技術(shù)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(chǎng)相互作用的導(dǎo)體。在皮膚下面，人體組織中充滿了傳導(dǎo)電解質(zhì) (一種有損電介質(zhì))。正是手指的這種導(dǎo)電特性，使得電容式觸摸傳感成為可能。 簡(jiǎn)單的平行板電容器具有兩個(gè)導(dǎo)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(huì)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(chǎng)被稱(chēng)為“邊緣場(chǎng)”。制作實(shí)用電容式傳感器的部分難題在于：需要設(shè)計(jì)一組印制導(dǎo)線，將上述的邊緣場(chǎng)引導(dǎo)到用戶易接近的有效感應(yīng)區(qū)域中。顯然，對(duì)于這種傳感器模式來(lái)說(shuō)，平行板電容器并非上佳之選。 把手指放在邊緣電場(chǎng)的附近將增加電容式傳感系統(tǒng)的導(dǎo)電表面積。由手指所產(chǎn)生

5、的額外電荷存儲(chǔ)容量就是已知的手指電容CF。無(wú)手指觸摸時(shí)的傳感器電容用CP來(lái)表示。在本文中，它代表寄生電容。 關(guān)于電容式傳感器的一個(gè)常見(jiàn)的誤解是：為了使系統(tǒng)正常工作，手指必須接地。實(shí)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(wú)關(guān)。圖: 手機(jī)電容傳感器的機(jī)械層疊截面圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，機(jī)械層疊是一個(gè)重要考慮因素，因?yàn)槭謾C(jī)的外殼日趨纖薄。事實(shí)上，傳感器線跡布局不佳和覆蓋膜材料厚度過(guò)大是手機(jī)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(guò)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(chǎng)耦合。該粘合層還形成了一個(gè)能夠?qū)κ种?/p>

6、輕壓和重壓都穩(wěn)定響應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)。1-3mm的覆蓋膜厚度是比較理想的，這樣可在不過(guò)度削弱電容式感測(cè)信號(hào)的情況下為手機(jī)提供所需的封裝機(jī)械強(qiáng)度。 （2）透明電容：手機(jī)中觸摸感測(cè)的最新趨勢(shì)是在玻璃或塑料膜上使用氧化銦錫（ITO）。ITO是一種導(dǎo)電材料，作為薄膜運(yùn)用時(shí)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(jī)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(jī)械變形來(lái)實(shí)現(xiàn)。電容式ITO觸摸屏超越標(biāo)準(zhǔn)電阻式觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)之一就是摒棄了這種易發(fā)生故障的機(jī)械模式。（3）指紋識(shí)別：電容式傳感器，也被稱(chēng)為第二代指紋識(shí)別

7、,是目前指紋識(shí)別最常用的一種。它的優(yōu)點(diǎn)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(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中使用。下圖為指紋經(jīng)過(guò)處理后的成像圖： 指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬(wàn)個(gè)金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。整合了這種技術(shù)的手機(jī)不僅能感測(cè)手指的位置，還能感測(cè)到手指對(duì)按鍵施加壓力的輕重。輕按可能與 號(hào)碼簿翻頁(yè)有關(guān)，重按則可能是往選定號(hào)碼撥打 。 手指按壓觸屏感應(yīng)的示意圖1手指按壓觸屏感應(yīng)的示意圖2電容式傳感器的接口電路和檢測(cè)

8、方法（1）模擬技術(shù)：模擬技術(shù)是測(cè)量頻率或工作周期，這些量因?yàn)樵谑种负偷刂g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(huì)受到水滴的影響。利用這種技術(shù)和高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以把測(cè)到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。得益于混合信號(hào)技術(shù)的進(jìn)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(gè)缺點(diǎn)是電容傳感器可能會(huì)受到難以捉摸的噪聲、串?dāng)_、耦合的影響。另外，傳感器輸出的動(dòng)態(tài)范圍受到電源電壓的限制，而隨著半導(dǎo)體制造技工藝節(jié)點(diǎn)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(guān)的問(wèn)題。數(shù)字方法通過(guò)使電

9、容成為RC延時(shí)線的一部分來(lái)檢測(cè)傳感器電容的變化。圖3：數(shù)字觸摸方案；在存在水滴時(shí)仍具有很棒的性能。 圖3中簡(jiǎn)單的全數(shù)字型時(shí)間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）測(cè)量該延時(shí)線相對(duì)于基準(zhǔn)RC延時(shí)線的差并輸出阻抗的變化。寄生電容對(duì)RC延時(shí)的影響可通過(guò)加電補(bǔ)消除。手指碰到傳感器墊片使電容增大進(jìn)而提高了RC延時(shí)時(shí)間并導(dǎo)致阻抗變化。把這個(gè)阻抗與校準(zhǔn)阻抗對(duì)比可確定是否發(fā)生了觸摸事件。該傳感方案很容易通過(guò)調(diào)整RC延時(shí)線的電阻來(lái)改善性能。電容感測(cè)技術(shù)在其他方面的應(yīng)用（1）相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械按鈕、滑塊、轉(zhuǎn)輪和開(kāi)關(guān)，電容感測(cè)技術(shù)控制提供了靈活、可靠且高性價(jià)比的替代方案。最新的應(yīng)用其技術(shù)的觸摸傳感器為設(shè)計(jì)者發(fā)揮其創(chuàng)造性創(chuàng)造了條件，設(shè)計(jì)

10、者在開(kāi)發(fā)接口時(shí)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(yīng)用。圖4：滑塊、滾輪、觸摸按鈕和臨近傳感應(yīng)用的例子。表2：各種應(yīng)用的觸摸控制方案。（2）由于沒(méi)有活動(dòng)部件且易于適應(yīng)曲面外形，觸摸傳感器開(kāi)關(guān)是汽車(chē)應(yīng)用的理想選擇。但汽車(chē)應(yīng)用對(duì)觸摸技術(shù)提出了更高的要求，汽車(chē)制造商要求提供成本低、工作溫度寬的汽車(chē)級(jí)觸摸傳感器控制器。關(guān)鍵是降低觸摸傳感器方案的總實(shí)現(xiàn)成本。價(jià)格合適的觸摸傳感器為汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)新穎的接口特性提供了條件。（3）臨近觸摸技術(shù)是電容感測(cè)技術(shù)的另一種應(yīng)用。臨近觸摸控制對(duì)只有一或兩個(gè)按鈕的簡(jiǎn)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(jìn)

11、最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，并具有功耗低和壽命長(zhǎng)等長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)。金屬門(mén)把手是一種理想的臨近傳感器應(yīng)用。極為敏感的傳感器可以檢測(cè)到是否有手在接近門(mén)把手，系統(tǒng)在檢測(cè)到接近行為后會(huì)給需要大功率的安防硬件通電。作為汽車(chē)報(bào)警系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)可把每次臨近檢測(cè)記錄下來(lái)并通知車(chē)主（或許可通過(guò)手機(jī)）有人多次試圖拉開(kāi)車(chē)門(mén)。當(dāng)金屬物體面積為10mm2，覆膜厚度為1mm時(shí)，臨近傳感器可以在距離大于2英寸時(shí)檢測(cè)到手的接近。除了門(mén)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(dòng) 。傳感器的發(fā)展前景電容式傳感器有著巨大的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是將對(duì)21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一，該技術(shù)的進(jìn)步使傳感器驅(qū)動(dòng)型接口更易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)

12、終端用戶更為直觀和簡(jiǎn)單,靈敏度更高和使用體驗(yàn)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(lái)手機(jī)和其它便攜式設(shè)備市場(chǎng)的應(yīng)用大趨勢(shì),盡管今天電阻性觸摸屏解決方案比較便宜,但它無(wú)法像電容性觸摸屏那樣提供流暢的手指滑動(dòng)響應(yīng)性能。已有和潛在的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域包括：軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、建筑物監(jiān)測(cè)等等。1、 微型化為了能夠與信息時(shí)代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強(qiáng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)保持一致，對(duì)于傳感器性能指標(biāo)（包括精確性、可靠性、靈敏性等）的要求越來(lái)越嚴(yán)格；與此同時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(lèi)型的高性能微型傳感器所取代；后者主要由硅材料構(gòu)成，具有體積小、重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。2、 智能化隨著微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步，電容式傳感器技術(shù)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(zhuān)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(jì)算與邏