發布日期：2022-07-14 點擊率：63
電荷轉移傳感
“QT”或電荷轉移傳感基于基本的物理學原理,特別是電荷轉移原理?！癚”是電荷的標準代表符號,因此“QT”代表電荷轉移。該技術由位于英國的Quantum Research公司開發并申請了專利。QT傳感器采用電子開關,將一個未知電容的感應板充電到已知電位,然后轉移電荷到測量電路。一個或多個充電-轉移周期后,通過測量電荷即可確定感應板上的電容。該過程工作在突發模式,采用微處理器控制的MOSFET晶體管開關,故當物體接近或觸碰傳感表面而發生改變時,能夠精確而可靠地測量電容的微小變化。該技術穩定精確,并具有幾個數量級的動態范圍。其實現電路只需要很少的外部元件,并且無需振蕩器、電感器、RC網絡或其他的射頻元器件。
擴譜調制從根本上消除了電子噪聲的影響,同時所產生的輻射可以忽略不計。電路的靈敏度和穩定性得到改善,更容易滿足EMC性能,還有復雜度和成本都被減到最低。
對于很多傳感技術來說,一個真正的問題是隨著產品的老化和環境條件的改變而出現性能飄逸,而這個問題經過QT感應可以自動補償。本文討論三個常見應用中的QT傳感實現:即觸摸鍵盤,滑動鍵和滑輪傳感器。
觸摸鍵的實現
圖1所示的是Jenn-Air公司的Attrezzi攪拌機,其底座上裝有一個安裝在彎曲機座上的觸摸控制面板,該面板就是基于電荷感應技術,為了滿足整個產品設計,每個鍵盤的尺寸和形狀都不同。觸摸感應技術通過在一個預先確定的采樣周期后,只記錄一次觸摸,完全解決了反彈的問題。為了簡化使用,觸摸鍵用藍色LED顯示,在PCB和觸摸控制面板內側之間裝有光隔離器。光隔離器的一側能適應面板的彎曲來貼合設計,而另一側是平面的以貼合PCB。白色的光隔離器的蜂窩式設計提供剛性結構,將光通向到相應的鍵,還防止鍵間的光泄露。
在面板內的關鍵部位使用了Agfa的Orgacon透明導電聚合物來形成提供背光照明的觸摸鍵。該材料的透光率高于90%,其覆屏處理方法與標準的低成本方法兼容。
圖1:Jenn-Air的Attrezzi食品攪拌機采用了一個環繞設備底座的曲面形觸摸控制面板。
實際上的面板不支撐任何的電子元器件,QTough IC和相關的電子元件都安裝到PCB上。光隔離器將PCB與面板隔離開來,故需要在PCB和每個鍵相鄰的空區之間用直徑很細的導電橡膠線將兩者連起來,光隔離器上的其它孔將這些橡膠部件固定。
通過改動QTough芯片以控制整個攪拌機,而不僅僅是感應這些按鍵。除了感應控制外,還感應電機速度、控制LED,用一個控制環路來調制驅動可控硅,從而只利用一片并不貴的控制芯片即可實現對整個攪拌機的控制。
QTough器件采用了消除干擾的擴譜感應技術,以及已經申請專利的防止誤觸碰或大手指引起的相鄰鍵誤動作的相鄰鍵抑制(AKS)技術。在Attrezzi攪拌機中,它還提供了所有的安全管理功能,包括錯誤鍵檢測和自動關機功能。
按鍵觸摸傳感器IC
一款新推出的電荷轉移器件是8鍵傳感器IC,用于像手機、MP3、計算機外設、遙控和類似的消費類產品中的低功率傳感,可以驅動8個大小不同的觸摸鍵,可以利用任何面板材料,從而簡化各種機械設計?？梢酝ㄟ^簡單地改變外部參考電容來獨自調整各鍵的靈敏度。該芯片還具有快速檢測特性,因而可以用一個接觸傳感電極條來實現一個簡單的觸摸滑動鍵。典型的應用電路如圖2所示。
圖2:一個8鍵觸摸傳感器應用電路。
該芯片在上電后自動校準。為了節約電池能量,該芯片在低功率模式下電壓為3V,僅消耗40uA的電流,同時能保證在某鍵被觸碰后快速響應。該模式在有人觸碰時喚醒設備。通過對一組按鍵的各信號強度進行比較,芯片能確定哪個鍵是關鍵的或者是想要按的鍵,從而防止多個按鍵對同一觸碰同時響應。為了防止由于外部物體停留在傳感面上引起的卡鍵,在長檢測后芯片重新校準。設備有兩種輸出模式:一種是每鍵對應一個引腳,另一種是二進制編碼方式。該芯片采用很小的無鉛 QFN-32封裝。
觸摸滑動鍵
一個觸摸滑動鍵IC利用觸摸來模擬一個滑動電位器,系統封裝設計中的材料選擇范圍很大。感應非常可靠,即便是帶著手套隔著玻璃或塑料覆蓋膜也沒有影響?；瑒渔I條的形狀可以任意選擇,并非一定是直線。Quantum Research的QSlide QT411提供7比特的分辨率,并通過一個串行SPI接口將位置數據提供給主控制器。應用范圍包括消費產品、醫療產品、工業產品、汽車電子和計算機外設?？梢杂脕砜刂扑俣取囟取⒙曇?、光以及顯示亮度,甚至可以用作機械位置感應。
兩個電荷轉移傳感通道工作在一個線性阻性元件上。利用算法來確定觸摸的位置,與信號的強度無關,因而使得檢測精確可靠。阻性元件可以用串聯的分離電阻器,也可以用厚膜電阻排。和上述的觸摸鍵相對應,電荷轉移觸摸滑動鍵采用從睡眠模式喚醒的方式來喚醒設備。另外還有一個靠近模式,即當檢測到人手距離面板50mm時就喚醒設備。這樣就可以在用戶觸摸設備之前就可以激活顯示或設備。低功率模式的電流小于10uA。
旋轉感應按鍵
和滑動鍵類似,滑輪芯片可以看作為容性電位器,人的手指用作電刷。設備的電極由一個簡單的阻性環構成,該環被放置在任一電極板的背后。三個容性QT通道被連接到該環,信號被處理成7位的絕對值位置,如圖3所示。輸出經過一個標準的SPI串行接口。該芯片不需要外部有源器件,芯片感應可以穿越3mm厚的面板,當被放置到玻璃或塑料板后,可以實現一個替代機械編碼器或電位器的平滑、密封、難以破壞的旋轉觸摸控制。在面板上無需開孔和旋鈕,也沒有服務或維護問題,功耗很低,電流消耗可以低至10uA。
圖3:用作為觸摸傳感電極的阻性環旋轉按鍵應用電路。
本文小結
基于電荷轉移的人機接口靈活、可靠且成本效益高。上面所述的設備所實現的關鍵創造性在于產品的工業設計,這對許多產品來說事關成敗。最重要的是,其成本似乎正是絕大多數人們所期望的,可用于大規模的消費電子應用。
作者:Hal Philipp
CEO
Quantum Research集團有限公司
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