電容式近距傳感器應用與考慮因素

　　摘要：要達到高靈敏度的電容式近距感測效果，需要仔細考慮眾多因素，包括機械設計、傳感器置放位置與設計，以及終端應用的作業環境。仔細*估各項設計考慮因素，有助于避免典型電容式近距傳感器設計經常遭遇的建置問題。本文介紹一些近距感測常見應用，以及能大幅增進設計成功機率的考慮要點。
　　
　　何謂電容式進距傳感器?
　　
　　電容式近距傳感器是一種與使用者操作接口互動的有效方法，使用者不必實際觸碰到接口控制組件，其根據的是電容式感測技術，以偵測到導電物體的存在。電容式近距傳感器為系統與產業研發業者帶來許多*優勢，能有效提升組件的使用便利性與設計美感，并可提升需要在喚醒或啟動時進行設定的裝置之反應速度。
　　
　　電容式進距傳感器應用特性
　　
　　“燈光導引”概念
　　
　　電容式近距傳感器為許多使用者接口系統帶來*的操控便利性。如圖1所示，近距感測功能在加入到筆記本電腦的多媒體按鍵列后，當使用者的手指或手接近筆記本電腦時，即使在昏暗環境中也能提供“燈光導引”功能，讓使用者在昏暗環境中也能很容易操作按鍵，就像是在幾乎無光線的飛機客艙中使用筆電一般。　　　　
　　其它需要在黑暗或低光源環境中正常地運作的系統，也可采用“燈光導引”的概念，例如像內部通訊用的廣播系統、手機、墻壁開關、以及汽車門禁系統等。
　　
　　手機自動鎖定與解除功能
　　
　　內建觸控屏幕或電容式操作接口的手機，亦可利用電容式近距傳感器技術來提高使用可靠度。當使用者把手機拿到靠近臉頰處準備或接時，觸控屏幕或電容式輸入接口就會自動鎖住其按鍵與功能，避免使用者誤觸手機上的結束通話按鍵。當使用者通話完放下手機時，以及解除手機的鎖定時，電容式近距傳感器亦可用來自動啟動按鍵鎖。這種功能在讓手機更容易在使用方面上扮演重要角色。
　　
　　提高車用和工業安全性
　　
　　近距傳感器還可用來提高汽車車窗或防護系統安全性。例如，當電動車窗要關閉時，一旦乘客的手靠近車窗，系統會偵測到手或手臂，并停止動作以避免乘客受傷。工業設備亦可利用電容式近距傳感器控制功能，獲得更高安全性。浴室設備可利用近距感測技術，使整體環境變的更安全且更有效率。水可加入近距感測功能，當手放到水下方時就自動給水，當手遠離水時，便立即關水，*不會有浪費水的情況發生。同樣地，當手置于洗手給皂機下方時，就會自動提供洗手^^^，且當其它非導電物體靠近給皂機時也不會發生誤判而流出洗手^^^。而馬桶和垃圾筒上蓋，亦可利用電容式近距傳感器來建置免手動操作功能。
　　
　　提升防盜系統功能
　　
　　近距感測的另一個新應用，就是防盜系統。電容式近距傳感器可設置于房屋四周，當屋主離開住家時就啟動警戒功能。當屋宅被竊賊入侵時，擺設在屋子適當位置的近距傳感器，就會判斷出竊賊進入屋子的位置，以及在屋內走動的路線。這方面的信息能幫助事后調查，協助警方更快破案。移動中的非導電物體并不會觸發電容式近距傳感器，例如當屋主外出時，從墻上掉落的畫，避免進行誤判的動作追蹤。
　　
　　強化液晶屏幕影像使用性
　　
　　像是數字相框與液晶屏幕等有邊框的產品，可運用電容式近距傳感器功能來增進美觀與易用性。傳統的數字相框在產品的背面或頂部都有機械式按鍵。當使用者想要調整數字相框的設定值，或是設定要顯示的影像，其程序通常都很麻煩。運用電容式控制功能，加上相框邊框的近距感測組件，就能設計出簡便的單指操作功能，且當手指移開后，按鍵可隱藏在屏幕的邊框中。圖2顯示模擬式按鍵，以及近接感測與電容式控制按鍵之間的比較。　　　　
　　傳統相框上的機械式按鍵相框邊緣使用觸控按鍵控制設計相框使用觸控按鍵及近距傳感器
　　
　　傳統的液晶屏幕通常在邊框底部有不甚美觀的突出按鍵，或是嵌入在底部邊框的按鍵。由于屏幕并不重，因此按這些機械按鍵時，有時會讓屏幕移動，離開原來的位置。對為達成單指操作目的而言，采用機械按鍵竟成為一種阻礙。液晶屏幕越做越薄，在邊框四周的觸控按鍵，也必須具備可以搭配的優雅及流線質感。運用近距感測來輔助現有的電容式控制組件，能為液晶屏幕帶來雙贏的組合。
　　
　　改善藍牙無線裝置使用效能
　　
　　采用藍芽技術的無線裝置，亦可藉由近距感測來獲得改善。當藍芽裝置欲切換至休眠模式，裝置通常需要經過一段時間后，才能喚醒以及操作。運用近距感測技術，可讓“休眠中”的藍芽裝置能事先偵測到使用者即將進行的觸控動作，因此可大幅縮短使用者會用到的延遲時間。
　　
　　另一項具備的優勢是省電。當手指從搭載近距感測的裝置上移開時，裝置就能立即切換至“休眠”或省電模式。如此就不必在軟件中設定無動作時的休眠時間。要設定適合的無動作休眠時間是很難的事，因為有時若時間設太短，甚至當還在使用時裝置就會關閉電源（試想當您在寫電子郵件時，屏幕突然變暗）。同樣地，若時間設得太長，就會造成不必要的耗電。
　　
　　如何提高電容式近距感測靈敏度?
　　
　　要高靈敏度的電容式近距感測設計并不困難。根據產品的機械設計，在規劃成功的近距感測設計時，有兩個主要因素需考慮，一個是近距傳感器的面積以及傳感器接地時，和其它作用信號線路之間的耦合。一般而言，傳感器越大，耦合的寄生電容就越小，近距感測的距離與性能也就越高。　　　　
　　電容式近距感測組件架構
　　
　　圖3顯示一個典型的近距感測組件，包括一個線形近距感測天線和相關的電容式感測電路。近距感測天線通常在需要感測的四周空間圍成一個回路。構成傳感器回路可達成兩個目標︰
　　
　　●能減少寄生電容，并“延伸”感測的區域;
　　
　　●應注意近距感測天線與周圍金屬機殼或其它金屬外殼之間的距離，要盡量拉大，讓寄生耦合能減至小。
　　
　　圖4顯示一個在10公分外以手指或手部接近近距感測天線，所形成的電場分布。左圖顯示當近距感測組件沒有受到金屬耦合時的電場分布，而右圖則顯示耦合效應。　　　　
　　用傳導屏蔽提高感測靈敏度
　　
　　圖4顯示隨著金屬耦合增加，與手指耦合的電場就隨之減少。因此，天線與手指之間的電容就減少，導致偵測距離變短。根據金屬耦合的強度，近距感測信號zui多會減少10倍。把金屬物體連結到傳導屏蔽（drivenshield），能減少與近距天線之間的耦合，例如，增加手指與天線之間的內部電容。傳導屏蔽可以維持與近距傳感器一樣的功能來減少寄生耦合。相較于其它沒有采用屏蔽的類似設計，當使用屏蔽時，偵測信號的強度可提高5倍以上。但它的偵測距離仍不及沒有金屬耦合的天線。
　　
　　近距感測電路搭配特定PCB
　　
　　近距感測天線與主控制器PCB是密不可分的，近距感測電路亦直接置于控制器的PCB中。應要特別注意近距感測電路不要置于沒有接地或金屬電路的PCB，因為這樣會提高寄生耦合并降低偵測范圍。
　　
　　動態調整電容式感測芯片滿足空間設計
　　
　　對于某些應用而言，并無法使用固定式近距感測天線，因為控制芯片沒有多余的I/O，或是終端裝置沒有足夠的空間來置放分散的天線線路。對于已使用電容感測的接口設計而言，電容感測按鍵或滑桿可連結在一起，建構成一個大型近距感測器，不需要另外空出一個針腳來連結近距傳感器，這方面可運用動態調整的電容式感測芯片。然而因按鍵與滑桿和PCB電路板之間有顯著的耦合，因此連結針腳會有較高的寄生電容，使得感測范圍縮短。
　　
　　運用屏蔽電極亦能有效降低寄生電容。若沒有足夠空間來放置外部天線，并穩固地置于產品周圍，固定式近距感測組件仍可提供理想效能，不必擔心天線組裝的問題。
　　
　　采用韌體設計提升感測效能
　　
　　采用電容式控制器韌體，可顯著提升近距傳感器效能。可從一段時間中由近距感測路徑所算出的幾個電容式信號來平均，以達到更遠的偵測距離。這顯然會影響近距傳感器的反應速度。仔細檢驗，就能找出許多*的平均時間與偵測距離組合。
　　
　　降低LCD噪聲與電磁干擾
　　
　　LCD噪聲與電磁干擾，會影響近距感測系統效能。解決此項問題通常采取兩種方法：
　　
　　●審慎選擇判斷臨界值;
　　
　　●妥善運用屏蔽。
　　
　　或者在一個沒有LCD的系統中，信噪比臨界值（亦即近距感測信號與尖峰噪聲的比例）會超過5：1，噪聲與指觸臨界値就應分別調高或調低，以達到更好的噪聲濾波效果。
　　
　　結語
　　
　　電容式近距傳感器為許多不同的消費性應用產品帶來更便利的操作接口、更好的工業設計、以及更多的功能。此外，近距傳感器可融入許多家用產品與工業節能設計中。通過審慎考慮裝置的機械設計、近距感測的尺寸及設置、以及減少寄生耦合，讓近距感測系統的設計更容易運用。妥善地調整手觸或噪聲臨界値，加上運用平均值，可進一步改進電容式近距傳感器系統的效能。運用傳感器控制IC的韌體重新設定功能，就可以不*到外部控制器I/O，建置出近距感測系統。