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电容式传感器原理以及在电子设计中的各类应用分析

　　好像在突然之间，电容式传感器就无处不在了。它被安装在汽车座位里以控制气囊配置和安全带预紧装置，在洗碗机和干燥机中以校正旋转桶的状态，甚至冰箱也使用其来控制自动去冰过程。但是直到现在，它最大的潜在应用领域还是触摸开关，触摸开关已越来越多地出现在消费电子产品中。

　　因为混合信号I C工艺得到广泛的采用，电磁流量计这种技术允许芯片设计师优化芯片的模拟和数字子系统，以构建具有前所未有的灵敏度和耐用性的电容式传感器，而且成本是机械式开关所不能比拟的。

　　一、电容传感器简介

　　电容传感器，英文名称为capacitive type transducer，是一种将其他量的变换以电容的变化体现出来的仪器。电容式传感器将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器，它结构简单，体积小，分辨率高，具有平均效应，测量精度高，可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用于压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等方面的测量。

　　电容传感器主要由上下两电极、绝缘体、衬底构成，在压力作用下，薄膜产生一定的形变，上下级间距离发生变化，导致电容变化，但电容并不随极间距离的变化而线性变化，其还需测量电路对输出电容进行一定的非线性补偿。

　　二、电容传感器分类

　　电容式传感器一般由两个平行电极构成，在其两个电极之间以空气作为介质，在不考虑边缘效应的前提下，其电容可表示为C=εS/d，

　　式中，ε为电容极板间介质的介质参数，ε=ε0εr,其中ε0真空介电参数，εr为极板间介质的相对介电常数；S为两平板所覆盖的面积；d为两平行板之间的距离。

　　由式中可见，当S,d,和ε中任一参数发生变化时，电容量C也随之发生变化，通过测量电路就可以转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型3种。

　　三、电容传感器原理

　　电容传感器也称为电容物位计，其电容检测元件基于圆筒形电容器原理进行工作，圆筒形电容器主要由两个相互绝缘的同轴圆柱极板构成，在两个极板之间填充介质，则该电容器的容量即为C=εS/d，其中，ε表示两极板间介质的介电常数，L表示两极板之间相互重合的长度，D表示外面的圆柱形极板的直径，d表示里面的圆柱形极板的直径，由于在固定情况下进行测量时，其D、d、e三个参量是不会变的，因此可根据测量的电容量得知其液位高度。

　　四、电容传感器优缺点

　　电容式传感器较电阻式传感器、电感式传感器而言具有一定的优势，但其也并不是完美无缺的，其也有缺点存在，下面我们就对电容式传感器的优缺点进行整合：

　　优点：价格便宜、实惠；灵敏度高、准确性好；结构简单；恶劣环境下也可适用；温度稳定性好；具有平均效应；动态响应性好；过载能力强。

　　缺点：输出非线性；寄生电容、分布电容的灵敏度、测量精确度易受影响，不稳定；连接电路较复杂。

　　五、电容传感器如何工作

　　电容式传感器基本上可以分成三类：电场传感器、基于弛张振荡器的传感器以及电荷转移(QT)器件。电场传感器通常会产生数百kHz的正弦波，然后将这个信号加在电容一个极板的导电盘上，并检测另外一个导电盘上的信号电平。当用户的手机或另外的导体对象接触到两个盘的时候，接收器上的信号电平将改变。通过解调和滤波极板上的信号，可能获得一个直流电压，这个电压随电容的改变而变化；将这个电压施加在阈值检测器上，即可以产生触摸/无触摸的信号。

弛张振荡器使用了一个电极盘，其上的电极电容构成了锯齿波振荡器中的可变定时单元。通过将恒定电流馈入到电极线，电极上的电压随时间线性增加。该电压提供给比较器一个输入，而比较器的输出连接到一个与电极电容并行连接的接地开关上。当电极电容充电到一个预先确定的阈值电压时，比较器改变状态，实现开关动作对定时电容放电，打开开关，这个动作将周期性的重复下去。其结果是，比较器的输出是脉冲串，其频率取决于总的定时电容的值。电磁流量计传感器根据不同的频率改变来报告触摸/无触摸状态。

　　QT器件利用了一种称为电荷保持的物理原理。举例来说，开关在一个短时间内施加一个电压到感应电极上对其充电，之后开关断开，第二个开关再将电极上的电荷释放到更大的一个采样电容中。人手指的触摸增大了电极的电容，导致传输到采样电容上的电荷增加，采样电容因此改变，据此就能得出检测结果。

　　QT器件在突发模式采样之后即进行数字信号处理，这种方法能提供比竞争方案更高的动态范围和更低的功耗，而自动校准例程可以补偿因为环境条件改变带来的漂移。更重要的是，这种方法足够灵敏，在电流透过厚的面板时不需要一个参考地连接，因此适合电池供电的设备。一般可用多输入通道实现滑动按键或旋转按键，而专用的QT系列芯片只用三个分辨率为7位（128点）的通道就能实现高分辨率线性滑动或旋转界面。

　　六、电容传感器其他应用可能性

　　很多设计师都利用QT芯片来替代电阻式触摸屏。因为该方法只需要将单透明层铺设在屏幕上用于感测，与多层电阻式技术相比，对光线的吸收大大降低。OEM厂家还使用多通道传感器来实现可编程的不透明触摸表面，面板的配置由软件来调配，这能帮助降低材料成本。同样的办法还为用户依据个人喜好配置触摸屏提供了可能，用户可从网络服务器下载规格，或者自己运行一个配置程序。

　　这种技术打开了很多应用之门，例如电磁流量计使用了平面位置检测QT器件，终端用户在移动电话的数字键盘上移动就可以输入中文或其他复杂字符。但是这种技术的最大应用是平面坐标触摸屏，在这种应用中，下表面感测薄膜可以替代电阻式屏，而单层薄膜获得高透明度和低成本，不需要在前面板中开孔。