中心議題:

• 醫療設備中的電容檢測技術的分析

解決方案:

• 使用容性傳感器電極的器件
• 開發高性能電容數字控製器

電容檢測不僅用在您的智能手機中；在必須與人體皮膚接觸的醫療設備等產品中

，它也有用武之地。本文介紹如何使用電容檢測來確定設備表麵與用戶皮膚的接觸質量。

容性檢測技術在傳統的人機界麵應用中繼續受到青睞
，例如筆記本電腦觸控板、MP3播放器
、觸(chu)摸(mo)屏(ping)顯(xian)示(shi)器(qi)和(he)近(jin)程(cheng)檢(jian)測(ce)器(qi)等(deng)。除(chu)了(le)利(li)用(yong)容(rong)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)取(qu)代(dai)機(ji)械(xie)按(an)鈕(niu)外(wai)，用(yong)一(yi)點(dian)點(dian)想(xiang)象(xiang)力(li)，再(zai)加(jia)上(shang)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)設(she)計(ji)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)，將(jiang)會(hui)使(shi)很(hen)多(duo)其(qi)它(ta)應(ying)用(yong)也(ye)能(neng)利(li)用(yong)這(zhe)一(yi)技(ji)術(shu)。圖(tu)1所示為一些應用概念示例
，這些概念可以通過采用人體接觸檢測得到完善。
對於圖1中zhong所suo示shi的de器qi件jian，若ruo能neng在zai啟qi動dong器qi件jian或huo進jin行xing測ce量liang之zhi前qian先xian了le解jie器qi件jian與yu皮pi膚fu之zhi間jian的de接jie觸chu質zhi量liang等deng相xiang關guan信xin息xi，往wang往wang較jiao為wei有you利li。這zhe些xie器qi件jian包bao括kuo需xu要yao緊jin靠kao皮pi膚fu的de醫yi用yong探tan針zhen、生(sheng)物(wu)電(dian)位(wei)電(dian)極(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)者(zhe)用(yong)於(yu)固(gu)定(ding)導(dao)管(guan)用(yong)管(guan)的(de)外(wai)殼(ke)。為(wei)確(que)定(ding)接(jie)觸(chu)條(tiao)件(jian)，可(ke)以(yi)在(zai)注(zhu)塑(su)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)將(jiang)圖(tu)中(zhong)綠(lv)色(se)的(de)幾(ji)個(ge)容(rong)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)極(ji)直(zhi)接(jie)嵌(qian)入(ru)器(qi)件(jian)的(de)塑(su)料(liao)外(wai)殼(ke)。主(zhu)機(ji)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)讀(du)取(qu)容(rong)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)控(kong)製(zhi)器(qi)ICshangdeyixiezhuangtaijicunqi
，zhexiejicunqibiaoshirongxingchuanganqilipifuyouduojin。suihou
，zhujiweikongzhiqishangyunxingdejibenjiancesuanfachulizhuangtaijicunqixinxi，yiquedinggechuanganqidianjiyupifudejiechushifoushidang。

在傳統的容性檢測人機界麵應用中，人們一般通過手指觸碰開始接觸傳感器電極。圖1中(zhong)的(de)示(shi)例(li)則(ze)以(yi)非(fei)傳(chuan)統(tong)方(fang)式(shi)使(shi)用(yong)容(rong)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)，用(yong)戶(hu)在(zai)人(ren)體(ti)上(shang)放(fang)置(zhi)了(le)一(yi)個(ge)含(han)有(you)容(rong)性(xing)檢(jian)測(ce)電(dian)極(ji)的(de)器(qi)件(jian)。開(kai)發(fa)這(zhe)類(lei)應(ying)用(yong)很(hen)簡(jian)單(dan)
，但(dan)為(wei)了(le)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)的(de)係(xi)統(tong)
，還(hai)是(shi)應(ying)當(dang)遵(zun)守(shou)一(yi)些(xie)關(guan)鍵(jian)準(zhun)則(ze)。
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電容數字控製器。開發高性能接觸檢測應用，首先要選擇一個合適的電容數字控製器(CDC)。對於圖1suoshideyingyong，qijianbiaomianyupifudejiechushizhijietongguonengliangdexiweibianhuaceliangde，zhezhongnengliangbianhuafenbuzairongxingchuanganqidianjizhenliezhong，dangqijianyupifufashengjiechushijiuhuichansheng。zhezhongceliangdejingduqujueyuCDC模擬前端的靈敏度和傳感器電極的數量。采用傳統PCB工藝製造的容性傳感器精度通常在50 fF至20 pF範圍內，因此使用16位CDC的高精度測量技術是比較理想的。

在選擇CDC時，首先要明確一些關鍵特性
，例如帶16位ADC的高分辨率模擬前端、可編程傳感器靈敏度設置

、可編程傳感器失調控製、片內環境校準
、支持理想數量傳感器電極的充足容性輸入通道
，以及無需使用外部RC器(qi)件(jian)進(jin)行(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)校(xiao)準(zhun)的(de)集(ji)成(cheng)設(she)計(ji)。這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)均(jun)支(zhi)持(chi)可(ke)靠(kao)而(er)靈(ling)活(huo)的(de)應(ying)用(yong)
，帶(dai)來(lai)最(zui)佳(jia)用(yong)戶(hu)體(ti)驗(yan)。例(li)如(ru)
，可(ke)編(bian)程(cheng)靈(ling)敏(min)度(du)可(ke)使(shi)界(jie)麵(mian)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)針(zhen)對(dui)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)預(yu)設(she)最(zui)佳(jia)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)靈(ling)敏(min)度(du)


，而(er)非(fei)采(cai)用(yong)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)較(jiao)差(cha)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)固(gu)定(ding)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。可(ke)編(bian)程(cheng)失(shi)調(tiao)控(kong)製(zhi)對(dui)界(jie)麵(mian)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)是(shi)另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)特(te)性(xing)，因(yin)為(wei)每(mei)一(yi)個(ge)生(sheng)產(chan)批(pi)次(ci)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)板(ban)的(de)失(shi)調(tiao)值(zhi)可(ke)能(neng)都(dou)會(hui)略(lve)有(you)不(bu)同(tong)。快(kuai)速(su)預(yu)表(biao)征(zheng)允(yun)許(xu)在(zai)將(jiang)新(xin)傳(chuan)感(gan)器(qi)板(ban)投(tou)入(ru)量(liang)產(chan)之(zhi)前(qian)更(geng)改(gai)主(zhu)機(ji)固(gu)件(jian)設(she)置(zhi)。對(dui)於(yu)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)或(huo)濕(shi)度(du)預(yu)計(ji)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)的(de)應(ying)用(yong)，片(pian)內(nei)環(huan)境(jing)校(xiao)準(zhun)可(ke)實(shi)現(xian)更(geng)可(ke)靠(kao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。請(qing)注(zhu)意(yi)
，電(dian)極(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)PCB銅跡線構建的；基板的屬性會隨溫度和濕度的變化而改變，因此將會改變傳感器輸出的基線電平。如果CDC支持片內校準
，這種基線漂移就可以在產品使用中得到動態補償。

小電極需要高靈敏度。測量的目標是確定設備與皮膚的緊靠程度；皮膚與設備的接觸質量越好，設備的讀取就越準確。測量的準確度取決於分布在器件接觸麵區域的電極傳感器的數量（電極越多
，分辨率越高）和大小。對於圖1所示的應用，器件的表麵區域一般很小，需要設計人員在開發應用時采用小型傳感器電極。

為了可靠測量與小傳感器電極相關的小電容變化（一般小於50 pF）
，需xu要yao使shi用yong高gao靈ling敏min度du模mo擬ni前qian端duan控kong製zhi器qi。請qing記ji住zhu
，塑su料liao覆fu蓋gai材cai料liao的de類lei型xing和he厚hou度du會hui進jin一yi步bu影ying響xiang傳chuan感gan器qi透tou過guo塑su料liao發fa射she的de小xiao信xin號hao。控kong製zhi器qi的de模mo擬ni前qian端duan測ce量liang必bi須xu具ju有you足zu夠gou的de靈ling敏min度du來lai測ce量liang這zhe種zhong小xiao信xin號hao，同tong時shi在zai所suo有you工gong作zuo條tiao件jian下xia（例如不同的電源電壓、溫度和濕度以及覆蓋麵材料的厚度和種類），zaicedexinhaoheyuzhidianpingjianceshezhizhijianbaochijiaohaodexinhaoyuliang。jiaodidexinhaoyulianghuizengjiawujianhechuanganqibuwendingdefengxian。weilezuidachengdujiangdifengxian
，dangshiyongdai16位ADC的CDC時，在傳感器基線電平（傳感器沒有與皮膚接觸）與接觸閾值電平之間應保持至少1000 LSB的餘量。[page]

AD7147和AD7148 CapTouch可編程控製器用於單電極電容傳感器，具有16位分辨率
，可進行毫微微法拉級測量
，並可在滿量程範圍內設置16個可編程閾值檢測電平值。這兩款控製器支持1 mm塑料覆蓋材料（介電常數為3.0）下的3 mm × 3 mm的小型傳感器電極

，同時仍保持1000 ADC LSB的滿量程信號餘量。滿量程信號餘量是指在沒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上的標準銅材料或柔性材料製成的。這種材料的特性會隨溫度和濕度的變化而發生改變。這種變化會使基線電平發生偏移（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低或過高的風險（過低還是過高取決於基線偏移的方向）這zhe會hui引yin起qi虛xu假jia的de接jie觸chu誤wu差cha
，或huo使shi閾yu值zhi電dian平ping不bu是shi太tai靈ling敏min就jiu是shi不bu夠gou靈ling敏min
，導dao致zhi接jie觸chu狀zhuang態tai的de不bu穩wen定ding。為wei保bao持chi傳chuan感gan器qi原yuan始shi的de信xin號hao接jie觸chu閾yu值zhi檢jian測ce電dian平ping餘yu量liang（靈敏度），CDC需要自動跟蹤基線偏移誤差的幅度，並對閾值設置進行相應的重新調整。圖2中的示例介紹了AD7147和AD7148的閾值電平如何針對因環境條件變化引起的基線失調變化進行自動跟蹤和調整。
消除測量誤差。在器件內加入容性傳感器電極陣列的改裝行為可能造成空間限製
，迫使設計人員將CDC放(fang)置(zhi)在(zai)遠(yuan)離(li)容(rong)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)位(wei)置(zhi)。這(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)並(bing)行(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)走(zou)線(xian)的(de)長(chang)度(du)並(bing)使(shi)布(bu)線(xian)密(mi)集(ji)，不(bu)利(li)於(yu)容(rong)性(xing)檢(jian)測(ce)應(ying)用(yong)，因(yin)為(wei)處(chu)於(yu)不(bu)同(tong)直(zhi)流(liu)電(dian)位(wei)的(de)走(zou)線(xian)會(hui)形(xing)成(cheng)圖(tu)3A所示的雜散耦合路徑。 PCB的接地層無法預防這種情況，因為走線和接地層處於不同的直流電位，仍會形成雜散電容（圖3B）。

圖3. 雜散電容的路徑，顯示了下列並行走線的結果：無灌銅層的並行走線(A)、接地灌銅層上的並行走線(B)，以及與走線具有相同直流電位的灌銅層上的並行走線(C)。
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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動的層包圍起來（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器件通過提供具有此功能的專用ACSHIELD輸出來消除雜散電容，如圖3C所示。 總結：

水療護膚產品等消費類保健設備正從專業機構走入普通家庭，用戶不再是經過專門培訓、熟shu悉xi產chan品pin及ji其qi應ying用yong的de技ji師shi。因yin此ci，很hen多duo這zhe類lei產chan品pin需xu要yao更geng智zhi能neng的de用yong戶hu界jie麵mian，才cai能neng使shi未wei經jing培pei訓xun的de用yong戶hu也ye能neng掌zhang握wo正zheng確que的de產chan品pin使shi用yong方fang法fa。容rong性xing檢jian測ce為wei用yong戶hu界jie麵mian設she計ji人ren員yuan提ti供gong了le新xin的de選xuan擇ze，使shi他ta們men能neng夠gou探tan索suo各ge種zhong創chuang新xin方fang法fa以yi滿man足zu新xin的de用yong戶hu界jie麵mian需xu求qiu。容rong性xing數shu字zi技ji術shu提ti供gong容rong性xing傳chuan感gan器qi電dian極ji與yu皮pi膚fu的de接jie觸chu信xin息xi，可ke用yong來lai保bao持chi最zui佳jia的de產chan品pin性xing能neng和he安an全quan性xing。