电容式接近检测技术在汽车电子中的应用

汽车电子应用领域对接近检测传感器的需求一直在稳定攀升，这种传感器无需物理接触，就能够可靠地检测出靠近传感器表面的物体。接近检测在汽车电子行业的可能应用是无限的：

• 汽车门禁控制：检测手靠近门把，进而启动开锁程序
• 当手掌靠近屏幕表面时，就能照亮和唤醒触摸屏
• 在手掌靠近传感器时，就能打开/关闭车内照明灯
• 通过检测手掌在空中的简单动作来打开/关闭设备
• 在停车过程中检测汽车周围的大障碍物

现在有多种不同的接近检测方法，如电容感测、红外、超声波、光学等。对从5mm到300mm范围的接近检测，电容式感测技术相对其它技术而言有许多优势：出色的可靠性、简单的机械设计、低功耗和低成本，本文将探讨爱特梅尔公司(Atmel® Corporation)的电容式接近检测技术。

爱特梅尔公司是触摸解决方案的领导厂商，在这个领域拥有丰富的经验，其电容式传感器基于公司首创的电荷转移技术，即当某一特定的控制序列重复施加在I/O引脚期间，取样电容上就会产生电压。目前爱特梅尔在用于自电容传感器(Atmel QTouch™)和互电容传感器(Atmel QMatrix™)的电荷转移技术方面拥有多项专利。爱特梅尔的电荷转移技术为用户带来了一些相比其它电容式感应方法更佳的重要优势，包括：更高的可靠性，极高的灵敏度，出色的防湿性，以及抗噪声能力。

QTouch和QMatrix技术已用于多种支持触摸按钮、滑条、拨轮，以及触摸屏的触摸控制器。接近检测也可用于某些标准产品。爱特梅尔正在开发和实现新的接近算法，以提高灵敏度，可支持达到200mm或以上的手指或手掌检测范围。新的标准产品和软件库模块计划于2011年和2012年推出。


图1：接近传感器的有效屏蔽

当物体接近电极时，电容式接近传感器测量单电极和地之间(自电容传感器)，或两个电极之间(互电容传感器)的电容变化。在这类应用中，电容一般在10pF到300pF之间，而电容的变化通常都非常小(几个fF到几个pF)。由于自电容传感器周围的电场线扩散到距离感测电极较远的地方，因而，接近检测首选自电容测量，而不是互电容测量，因为后者的电场线主要集中在发送和接收电极之间的区域内。

汽车应用电容式接近传感器的特点：

高灵敏度：要检测出被测量的电容的微小变化，传感器的灵敏度必须高且稳定。因而应当采取特殊的措施来减小电容性负载对灵敏度造成的负面影响，尤其是感测电极放置在导电表面(如金属平面、车体等)上时的影响。这可通过在电极与导电表面间加一个有效屏蔽层，来减少电容性负载的负面影响(见图1)。
A further advantage of active shields is their neutralizing effect on water films.
有效屏蔽层的另一优势是能与水膜产生中和效应。

• 防湿性：由潮湿引起的测量信号变化，会比由接近物体产生的测量信号变化更为显著。对于电容式感测方法而言，物体表面上的水膜是最大的问题之一。水膜带来的导电性会引起测量信号的变化，且这种变化类似于正常触摸引起的变化。

处理水膜效应主要有两种方法：

1．使用有效屏蔽层(如上所述)

2．缩短电荷转移时间：可将水膜看待成一个分散式RC电路(见图2)。减小电荷转移脉冲将防止这些分布电容被完全充电，从而减少水膜的影响。如果电荷转移时间控制在100ns 到250ns之间，则效果最佳。在感测区域采用正确的机械设计，并使用合适的材料，可以防止出现较厚的水膜。


图2：水膜等效于分散式RC电路

•温度稳定性：在汽车应用中，随时会出现极端迅速的温度变化，所以应当特别注意机械设计的稳定性，否则导电表面附近哪怕出现非常微小的间隙变化，都可能导致错误检测。

•抗噪声能力：由于灵敏度高，噪声干扰会影响接近传感器的运作。PCB电路的机械和电气设计应当避免邻近电缆或导电表面的噪声干扰。

•快速响应：响应时间一般在10ms 到100ms之间。

以下讨论电容式接近检测在汽车领域的应用细节。

汽车门禁系统

电容式接近检测的一个示例是在汽车门禁系统中的应用(见图3)。检测人手靠近的接近传感器位于车门把手(1)内。一旦检测到有物体靠近，主控单元(2)通过低频天线(3)发送一个唤醒信号；该信号激活汽车钥匙发送器(4)。汽车钥匙发送器于是与RFID接收器(5)交换信息；如果编码信息与主控单元(2)匹配，汽车门锁就打开。接近检测和ID识别的整个过程约几分之一秒。

这意味着当手拉门把时，门锁已经打开了。

相比于触摸检测，在汽车门禁系统中使用接近检测的优势在于它能够在识别车主的时间上抢先，其结果是拉门之前，门锁就已经处于打开状态。


图3：具有接近检测功能的车门开启系统

检测空间手势用于打开或关闭设备

同时使用两个或多个电容式接近传感器，就可以通过检测手掌在空中的简单动作(如在被检设备前挥手)来打开或关闭设备。图4所示为使用这样的系统来开/关汽车内照明的简单例子。对着灯向某一个方向挥手是打开灯，向反方向挥手则是关灯。该系统能够分析接近传感器的信号，确定手势指示开灯，还是关灯。

在电灯内设计传感电极有许多不同的方法，从使用细铜线到采用可直接附着在塑料上的导电聚合物都有。


图4：通过检测手在空中的简单动作来打开/关闭车内设备

结论

•汽车用电容式接近传感器为多种舒适性应用开辟了道路。
•潮湿和快速的温度变化是汽车用电容式接近传感器面对的主要难题，而采用爱特梅尔最新的电容式感测创新技术，就能够解决这些难题。