KC04040304-m06-电容式传感器的应用与发展

1、传感器及应用学习辅导电容式传感器的应用与发展电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的

2、电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。而本文主要介绍了电容式传感器的工作原理,应用及发展趋势。一、 电容式传感器的基本工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为 图1.1平行板电容器为电容极板间介质的介电常数,=0·r,其中0为真空介电常数,r为极板间介质相对介电常数;A为两平行板所覆盖的面积;d为两平行板之间的距离。当被测参数变化使得上式中的A，d或发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该

3、参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。当动极板移动 后，覆盖面积就发生了变化，电容也随之改变，下图为直线位移型电容式传感器的示意图，其为变面积式的一种。 电容： 电容增量： 测量灵敏度：此外，改变板间距d或者电介质，便是变间隙式和变介电常数式电容传感器结构形式，结构形式如下图所示，图1.3变间隙式 图1.4变间介电常数式二 电容式传感器的应用行业1. 触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域，如手机、媒体播放器、导航系统数码相机、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等。主流的触摸屏分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、声表面波式触摸屏、红外线式触摸屏等。其中，红外线式和

4、电容式触摸屏能够支持多点触控，前者由于尺寸限制和线性度不高，尚不能满足消费类产品的要求，而电容式触摸屏因其相对可接受的成本以及良好的线性度和可操作性，是目前主流的多点触控技术。在实际生活中我们接触最多的还是电阻式触摸屏，它已经被广泛的应用在手机和随身数码产品当中。但电容式触摸屏将成为发展趋势，替代电阻式触摸屏。电容式触摸屏主要有两种类型：表面式电容触摸屏和投射式电容触摸屏。2. 随着科学技术的发展, 新技术、新材料的的应用, 电容式测微仪器应用不断扩大, 尤其是在动态和在线检测方面具有极广阔的应用前景。主要是电容式变换方法较其它方式具有更多的优越性, 如它的输入能量极低, 动态响应快, 自热效

5、应甚微, 稳定性好, 内磨损误差小。因此, 特别适宜动态、在线检测。它的相对变化量大, 能用在特殊环境下工作, 如在强光照射下、在核辐射条件, 过载冲击震动环境等。3. 始于1998年的半导体指纹传感器应用多种新颖技术手段实现指纹图像采集,包括半导体电容式传感器、半导体压感式传感器 、半导体温度感应传感器等,其中,应用最广泛的是硅电容式指纹传感器。与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同,半导体指纹传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素行及指纹局部范围敏感程度,在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力,即使对比度差的图像也能被有效检测到,并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度,

6、生成高质量指纹图像。半导体指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。硅电容式指纹图像传感器技术基础是电容值检测,包括常用的直流电容法(如美国Veridicom 公司FPS200等) 、交流电容法(如Authentec公司的芯片通过测量手指真皮层交流电容获取指纹图像) 。与光学传感器扫描指纹不同,硅电容式指纹传感器通过测量传感器与手指接触/非接触所产生电流变化(电子度量)检测有无指纹,并根据指纹峰、谷等纹理信息实现高可靠性图像搜索。其技术关键:在半导体金属阵列集成约100 000个电容式传感器(外层绝缘) ,传感器阵列每一点是个金属电极,相当于电容器阳极;手指放在上面

7、时,皮肤组成电容另一极,传感面形成两极间介电层。电容值随脊(近的)和谷(远的)相对于传感器阵列的距离而改变。由于指纹纹路深浅不同,硅表面电容阵列各电容值亦有异,该电容值被转换成8 bit灰度图像,测量并记录各点电容值,即可获得具有灰度级指纹图像。当然,各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品,其中,技术新颖且先进的首推Veridicom公司推出的Image2SeekTM ,它通过改变指纹传感器电容阵列参数,能在1 s内扫描多帧指纹图像,并自动选择图像质量最好的。三 电容式传感器的运行方式实际的基本电容的传感器包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx，其分别都具有在印刷电路板(PCB)层上成形的金属走

8、线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场，大部分的电场都会集中在传感器PCB的两个板层之间。然而，会有一个边缘(fringe)电场由发射器产生并延伸至PCB外面，然后再回返至接收器上而终止。接收器上的电场强度是利用内建的积分三角(sigma-dedta)电容数字转换器来加以量测。电感传感器只能探测金属物质，而电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和绝缘体。巧合的是，这种特性使人类非常适合电场成像，因为人体大部分都是水，介电常数很大，人体还含有离子物质，是良好的电导体，所以当人们的手进入到边缘电场内时，电子环境将会改变，导致一部份的电场会被分流到地线而非回返至接收器终止。当今市场己有专

9、门针对人机接口应用领域而设计的电容感测用途芯片产品问世。它提供了电容传感器的触发，能检测到因使用者的接近所造成的电容变化，并提供数字输出。图 新型电容检测方案示意图1. 驱动IC提供了触发功能、电容值数字转换器、以及补偿电路，以确保在所有环境中都能有正确的结果。2. 传感器具有特定样式走线的PCB，像是按钮、卷动轴、滚轮、或是某些组合等。其走线材质可以是铜、碳，或是银，而PCB材质则可使用FR4、flex、PET、或是ITO。3. 主微控制器上执行的软件用以执行串联接口以及组件设定、还有中断服务程序。对于像是卷动棒与滚轮之类的高分辨率传感器而言，其主微控制器会执行一个软件运算法，以达到高分辨率

10、的输出。按钮则不需要软件。举例来说，AD7142以及AD7143分别可以对高达14个与8个电容传感器予以触发及回应。他们提供了电容传感器的触发，感测因使用者的接近所造成的电容变化，并提供数字输出。随着电容式触摸屏技术的发展，各种类型的电容式触摸屏会不断出现，由此也会推动触控板和电子技术的发展。电子器件与触控板技术的完美结合，是触摸屏技术发展的基础所在。通过以电力线为基础的分析方法，找出电容式触摸屏的不同类型电容的分布和数学表达，以及由于人体触摸产生的新生电容，是电容式触摸屏技术的物理基础。掌握电容式触摸屏的物理概念会对了解和把握这项新的技术具有促进作用。日常生活中，在使用类似便携式媒体播放器、

11、笔记型计算机、手机等各项功能中，更加注重正确使用和维护的方法，更好地体会现代技术在生活中的应用。四电容式传感器在具体工程中的应用 随着电子科学技术的发展，电容式传感器在各行各业中得到了广泛的应用，下面介绍几种利用其原理制造的产品：1. PT800 型压力变送器PT系列产品中的标准型号，内置陶瓷电容式传感器。可以自由选配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接件，可以现场调零点、满量程。广泛应用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的测量。2. 电容式触摸屏目前，电容式触摸屏已经逐渐广泛应用于消费电子、便携式产品领域。从理论上说，一根走线、间隔、另一根走线，这就是组成一个电容传感器的全部所需，

12、直接在这些走线上覆盖一层绝缘透明塑料膜即可使其成为电路板的一部分。当手指或某物体或人接近或者碰触到传感器时，电容传感器会检测(或称感测)到电容值的变化如下图标所示3. 其它电容式传感器产品展示总体来说，电容式传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好以及对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。其缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。通过发扬优点克服缺点，电容式传感器已在工程设计尤其是自动化行业中发展迅速。 除了上述介绍的传感器以外，还有很多应用在各个行业的电容式传感器，如下表所示，五电容式传感器的发展趋势近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的缺点不断地被克服,应用也越来越广泛,尤其是出现了数字式智能化的电容式传感器,它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技术与微处理器的计算功能结合为一体,使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式智能化传感器的综合性