電容（或稱(chēng)電容量）是表征電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。我們把電容器的兩極板間的電勢(shì)差增加1伏所需的電量，叫做電容器的電容。電容器從物理學(xué)上講，它是一種靜態(tài)電荷存儲(chǔ)介質(zhì)（就像一只水桶一樣，你可以把電荷充存進(jìn)去，在沒(méi)有放電回路的情況下，刨除介質(zhì)漏電自放電效應(yīng)/電解電容比較明顯，可能電荷會(huì)存在，這是它的特征），它的用途較廣，它是電子、電力領(lǐng)域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號(hào)濾波、信號(hào)耦合、諧振、隔直流等電路中。電容檢測(cè)不僅用在您的智能手機(jī)中；在必須與人體皮膚接觸的醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)品中，它也有用武之地。本文介紹如何使用電容檢測(cè)來(lái)確定設(shè)備表面與用戶(hù)皮膚的接觸質(zhì)量。

　　容性檢測(cè)技術(shù)在傳統(tǒng)的人機(jī)界面應(yīng)用中繼續(xù)受到青睞，人機(jī)界面（Human–Machine Interaction，簡(jiǎn)稱(chēng)HMI），是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話(huà)接口，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。是指人和機(jī)器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱(chēng)界面所說(shuō)人機(jī)結(jié)合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機(jī)器的硬接觸和軟觸，此結(jié)合面不僅包括點(diǎn)線面的直接接觸，還包括遠(yuǎn)距離的信息傳遞與控制的作用空間。人機(jī)結(jié)合面是人機(jī)系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié)，主要由安全工程學(xué)的分支學(xué)科安全人機(jī)工程學(xué)去研究和提出解決的依據(jù)，并過(guò)安全工程設(shè)備工程學(xué)，安全管理工程學(xué)以及安全系統(tǒng)工程學(xué)去研究具體的解決方法手段措施安全人機(jī)學(xué)。它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類(lèi)可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。圖1所示為一些應(yīng)用概念示例，這些概念可以通過(guò)采用人體接觸檢測(cè)得到完善。

　　圖1. 使用容性傳感器電極的器件

　　對(duì)于圖1中所示的器件，若能在啟動(dòng)器件或進(jìn)行測(cè)量之前先了解器件與皮膚之間的接觸質(zhì)量等相關(guān)信息，往往較為有利。這些器件包括需要緊靠皮膚的醫(yī)用探針、生物電位電極傳感器或者用于固定導(dǎo)管用管的外殼。為確定接觸條件，可以在注塑生產(chǎn)過(guò)程中將圖中綠色的幾個(gè)容性傳感器電極直接嵌入器件的塑料外殼。主機(jī)微控制器讀取容性傳感器控制器IC上的一些狀態(tài)寄存器，這些寄存器表示容性傳感器離皮膚有多近。微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器／掃描器、消費(fèi)類(lèi)電子、游戲設(shè)備、電話(huà)、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。

　　在傳統(tǒng)的容性檢測(cè)人機(jī)界面應(yīng)用中，人們一般通過(guò)手指觸碰開(kāi)始接觸傳感器電極。圖1中的示例則以非傳統(tǒng)方式使用容性傳感器，用戶(hù)在人體上放置了一個(gè)含有容性檢測(cè)電極的器件。開(kāi)發(fā)這類(lèi)應(yīng)用很簡(jiǎn)單，但為了構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，還是應(yīng)當(dāng)遵守一些關(guān)鍵準(zhǔn)則電容數(shù)字控制器。開(kāi)發(fā)高性能接觸檢測(cè)應(yīng)用，首先要選擇一個(gè)合適的電容數(shù)字控制器（CDC）。對(duì)于圖1所示的應(yīng)用，器件表面與皮膚的接觸是直接通過(guò)能量的細(xì)微變化測(cè)量的，這種能量變化分布在容性傳感器電極陣列中，當(dāng)器件與皮膚發(fā)生接觸時(shí)就會(huì)產(chǎn)生。

　　在選擇CDC時(shí)，首先要明確一些關(guān)鍵特性，這些特性均支持可靠而靈活的應(yīng)用，帶來(lái)用戶(hù)體驗(yàn)。例如，可編程靈敏度可使界面設(shè)計(jì)人員針對(duì)具體應(yīng)用預(yù)設(shè)的傳感器靈敏度，而非采用可能導(dǎo)致較差靈敏度的固定解決方案。可編程失調(diào)控制對(duì)界面設(shè)計(jì)人員是另一個(gè)重要特性，因?yàn)槊恳粋€(gè)生產(chǎn)批次的傳感器板的失調(diào)值可能都會(huì)略有不同。快速預(yù)表征允許在將新傳感器板投入量產(chǎn)之前更改主機(jī)固件設(shè)置。對(duì)于環(huán)境溫度或濕度預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生變化的應(yīng)用，片內(nèi)環(huán)境校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)更可靠的解決方案。請(qǐng)注意，電極傳感器是使用標(biāo)準(zhǔn)PCB銅跡線構(gòu)建的；基板的屬性會(huì)隨溫度和濕度的變化而改變，因此將會(huì)改變傳感器輸出的基線電平。

　　小電極需要高靈敏度。測(cè)量的目標(biāo)是確定設(shè)備與皮膚的緊靠程度；皮膚與設(shè)備的接觸質(zhì)量越好，設(shè)備的讀取就越準(zhǔn)確。測(cè)量的準(zhǔn)確度取決于分布在器件接觸面區(qū)域的電極傳感器的數(shù)量和大小。對(duì)于圖1所示的應(yīng)用，器件的表面區(qū)域一般很小，需要設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)應(yīng)用時(shí)采用小型傳感器電極。

　　為了可靠測(cè)量與小傳感器電極相關(guān)的小電容變化（一般小于50 pF），需要使用高靈敏度模擬前端控制器。請(qǐng)記住，塑料覆蓋材料的類(lèi)型和厚度會(huì)進(jìn)一步影響傳感器透過(guò)塑料發(fā)射的小信號(hào)。控制器的模擬前端測(cè)量必須具有足夠的靈敏度來(lái)測(cè)量這種小信號(hào)，同時(shí)在所有工作條件下（例如不同的電源電壓、溫度和濕度以及覆蓋面材料的厚度和種類(lèi)），在測(cè)得信號(hào)和閾值電平檢測(cè)設(shè)置之間保持較好的信號(hào)余量。較低的信號(hào)余量會(huì)增加誤檢和傳感器不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

　　AD7147和AD7148 CapTouch可編程控制器用于單電極電容傳感器，具有16位分辨率，可進(jìn)行毫微微法拉級(jí)測(cè)量，并可在滿(mǎn)量程范圍內(nèi)設(shè)置16個(gè)可編程閾值檢測(cè)電平值。這兩款控制器支持1 mm塑料覆蓋材料（介電常數(shù)為3.0）下的3 mm × 3 mm的小型傳感器電極，同時(shí)仍保持1000 ADC LSB的滿(mǎn)量程信號(hào)余量。滿(mǎn)量程信號(hào)余量是指在沒(méi)有皮膚接觸和有皮膚接觸的情況下傳感器輸出之間的差。

　　保持可靠性能。容性傳感器電極是采用PCB上的標(biāo)準(zhǔn)銅材料或柔性材料制成的。這種材料的特性會(huì)隨溫度和濕度的變化而發(fā)生改變。這種變化會(huì)使基線電平發(fā)生偏移（所有傳感器閾值電平均是以基線電平為參考的）。較大的基線偏移增加了接觸閾值電平過(guò)低或過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)（過(guò)低還是過(guò)高取決于基線偏移的方向）這會(huì)引起虛假的接觸誤差，或使閾值電平不是太靈敏就是不夠靈敏，導(dǎo)致接觸狀態(tài)的不穩(wěn)定。為保持傳感器原始的信號(hào)接觸閾值檢測(cè)電平余量（靈敏度），CDC需要自動(dòng)跟蹤基線偏移誤差的幅度，并對(duì)閾值設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的重新調(diào)整。圖2中的示例介紹了AD7147和AD7148的閾值電平如何針對(duì)因環(huán)境條件變化引起的基線失調(diào)變化進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和調(diào)整。

　　圖2. AD7147/AD7148片內(nèi)環(huán)境校準(zhǔn)

　　消除測(cè)量誤差。在器件內(nèi)加入容性傳感器電極陣列的改裝行為可能造成空間限制，迫使設(shè)計(jì)人員將CDC放置在遠(yuǎn)離容性傳感器的位置。這會(huì)增加并行傳感器走線的長(zhǎng)度并使布線密集，不利于容性檢測(cè)應(yīng)用，因?yàn)樘幱诓煌绷麟娢坏淖呔€會(huì)形成圖3A所示的雜散耦合路徑。不管是單面板、雙面板、多層板的設(shè)計(jì)，之前都是用protel 設(shè)計(jì)出來(lái)的，現(xiàn)在有用PADS、Allegro等設(shè)計(jì)。印制電路板的設(shè)計(jì)是以電路原理圖為根據(jù)，實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)者所需要的功能。印刷電路板的設(shè)計(jì)主要指版圖設(shè)計(jì)，需要考慮外部連接的布局、內(nèi)部電子元件的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、電磁保護(hù)、熱耗散等各種因素。的版圖設(shè)計(jì)可以節(jié)約生產(chǎn)成本，達(dá)到良好的電路性能和散熱性能。簡(jiǎn)單的版圖設(shè)計(jì)可以用手工實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的版圖設(shè)計(jì)需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）實(shí)現(xiàn)。PCB的接地層無(wú)法預(yù)防這種情況，因?yàn)樽呔€和接地層處于不同的直流電位，仍會(huì)形成雜散電容（圖3B）。

　　圖3. 雜散電容的路徑，顯示了下列并行走線的結(jié)果：無(wú)灌銅層的并行走線（A）、接地灌銅層上的并行走線（B），以及與走線具有相同直流電位的灌銅層上的并行走線（C）。

　　若要消除雜散電容誤差，一種方法是將相鄰的走線用由直流電平驅(qū)動(dòng)的層包圍起來(lái)（該直流電平與容性傳感器電極和走線的直流電平相同）。AD7147和AD7148器件通過(guò)提供具有此功能的專(zhuān)用ACSHIELD輸出來(lái)消除雜散電容，如圖3C所示。

　　水療護(hù)膚產(chǎn)品等消費(fèi)類(lèi)保健設(shè)備正從機(jī)構(gòu)走入普通家庭，用戶(hù)不再是經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)、熟悉產(chǎn)品及其應(yīng)用的技師。因此，很多這類(lèi)產(chǎn)品需要更智能的用戶(hù)界面，才能使未經(jīng)培訓(xùn)的用戶(hù)也能掌握正確的產(chǎn)品使用方法。容性檢測(cè)為用戶(hù)界面設(shè)計(jì)人員提供了新的選擇，使他們能夠探索各種創(chuàng)新方法以滿(mǎn)足新的用戶(hù)界面需求。