摘 要：
本文介紹了電容型位置傳感器的設(shè)計(jì)開發(fā)，通過(guò)與傳統(tǒng)位置檢測(cè)傳感器以及其它相關(guān)傳感器的結(jié)構(gòu)和特性的對(duì)比，突出了電容型位置傳感器的優(yōu)勢(shì)——成本低、結(jié)構(gòu)緊湊。在詳細(xì)分析了電容型位置傳感器的結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理的基礎(chǔ)之上，詳細(xì)介紹了如何設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件PCB的開孔印制線條以及小球的選擇。同時(shí)基于對(duì)該技術(shù)的擴(kuò)展，又介紹了可衍生出的連續(xù)位置傳感器和加速度傳感器。最后結(jié)合電容檢測(cè)芯片MLX90711，介紹了其在小家電領(lǐng)域—飛利浦智能電熨斗中的應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞：電容；PCB；位置傳感器
一、前言
本文介紹的電容式位置傳感器是為解決位置檢測(cè)而設(shè)計(jì)開發(fā)的。這是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器，它利用傳統(tǒng)的PCB技術(shù)，配合一個(gè)小球滾動(dòng)引起電容變化，再利用電容檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB組件的傾角或加速度的檢測(cè)。由于PCB技術(shù)很成熟而鋼球很廉價(jià)，所以這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)單易行而且有著非常廣闊的應(yīng)用前景。雖然最初只是為位置傳感器開發(fā)，但將該技術(shù)拓展后，又可衍生出加速度傳感器。
傳統(tǒng)位置檢測(cè)器（傾角傳感器）依賴可運(yùn)動(dòng)部件和靜態(tài)元件的電接觸（歐姆）來(lái)實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。通常，這樣的系統(tǒng)要么采用一個(gè)導(dǎo)電小球，要么用液態(tài)導(dǎo)電介質(zhì)如水銀做運(yùn)動(dòng)部件。前者典型的缺點(diǎn)是小球的臟污、氧化和被腐蝕會(huì)影響系統(tǒng)的性能；水銀導(dǎo)電的傳感器則要求特殊的容器，而且水銀屬重金屬既有毒又昂貴還不環(huán)保，在全球環(huán)保呼聲日益強(qiáng)烈的情勢(shì)下必將被淘汰。
當(dāng)然以前也有些檢測(cè)電容變化的位置傳感器。這樣的系統(tǒng)采用某種液體，把它放在球型容器里。球型容器的側(cè)壁作為電容極板，這樣里面液體的動(dòng)蕩就引起側(cè)壁電容量的改變。還有一些是利用磁性或感性元件和半導(dǎo)體元件。這些系統(tǒng)都是為檢測(cè)特定角度和速度而開發(fā)的。但是他們大部分都不適合低成本、緊湊應(yīng)用的需求，特別是無(wú)法和PCB板融為一體。而本文將介紹的電容型位置傳感器由三部分組成——PCB（印制線路板）、小球、電容檢測(cè)電路，基本可以解決這些問題。
二、印制線路板的圖形要求
圖1是PCB的頂視圖， 上面開一個(gè)通孔，孔的形狀為中間寬兩頭窄，對(duì)稱分布，長(zhǎng)度寬度尺寸根據(jù)系統(tǒng)要求計(jì)算得出。孔的邊沿覆有三根印制線條圖形，分別標(biāo)識(shí)為A、B、C，其中 A位于通孔的一邊，另外兩個(gè)印制線條B、C相互對(duì)應(yīng)放在另一邊的左右兩側(cè)。當(dāng)PCB組件經(jīng)歷傾斜或加速時(shí)，小球沿著通孔滾動(dòng)，印制線條AB和AC與小球形成的電容Cab、Cac發(fā)生變化。A、B、C采集電容變化信號(hào)送到電容檢測(cè)器電路。
在這個(gè)傳感器里，通孔的中間距離必須稍大，使得金屬小球停在通孔中間時(shí)的重心最低。通孔的形狀決定了傳感器傾角為多少時(shí)，小球開始運(yùn)動(dòng)。
1、對(duì)小球的要求
球雖然是導(dǎo)電的，但不要求與PCB的任何端子有歐姆接觸。系統(tǒng)對(duì)球的導(dǎo)電要求很低，只是利用它實(shí)現(xiàn)電荷的重新分配。由于球的表面不需導(dǎo)電，因此不必?fù)?dān)心它臟污、受潮、氧化、腐蝕。實(shí)際上，小球的電阻可以盡可能大，例如 5M 歐姆都不會(huì)影響系統(tǒng)的性能，所以，系統(tǒng)對(duì)小球的要求很低，既不需要特殊形狀的容器，也不需要其他類型的非PCB組件的結(jié)構(gòu)，只要是圓的就可以滿足要求，例如，我們很容易找到的軸承里的鋼珠。
2、工作原理
如圖1所示，當(dāng)PCB平放時(shí)，小球停在通孔中間。只有當(dāng)PCB板傾斜到一定角度時(shí)，小球才能滾動(dòng)。這個(gè)角度由通孔的形狀和尺寸決定。圖2 是計(jì)算傾角的示意圖。球位于中點(diǎn)時(shí)，重心最低在P1。隨著球往一端滾動(dòng)，通孔寬度變窄，所以重心逐漸提高到P2。傾角即是P1與P2的連線和PCB板的夾角。通過(guò)調(diào)整通孔的長(zhǎng)度、中部的寬度或小球的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)不同的傾角。例如， 11mm 長(zhǎng)，孔中部 4.6mm 寬，球的直徑為 5mm 。按照這樣的尺寸，傾角閾值為12.9°。由于所有的尺寸減半仍然能獲得相同的傾角，因此傳感器可以設(shè)計(jì)成很小的尺寸。回到圖1，當(dāng)小球在孔道上滾動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的電容Cab、Cac會(huì)發(fā)生變化。例如當(dāng)球滾到左端，球和A、C間的距離縮短，AC間的電容Cac會(huì)因?yàn)榫嚯x縮短而變大。
圖3提供了球和印制線條間電容值的計(jì)算模型。我們知道，電容值正比于兩極板的面積而反比于兩極板間距。這樣，小球和印制線條在某點(diǎn)形成的電容近似等于球的映射面積Ai除以球表面和印制線條間距離di。總電容Ca，ball近似為ΣAi/di，i覆蓋球和印制線條的所有表面。相應(yīng)地，球滾到另一邊，即右邊時(shí)，球與A和B的距離最小，A與小球間的電容Ca，ball最大，而B與小球間的電容Cb，ball最大。電容Cab為Ca，ball和Cb，ball的串連。這樣，球在右邊時(shí)，電容Cac最小，Cab最大。
印制線條被直接連到電容檢測(cè)電路，以檢測(cè)電容值的變化，從而判別出球的位置。為了更好的理解本文介紹的基于PCB技術(shù)的電容型位置傳感器的原理，下面結(jié)合方框圖來(lái)介紹。
圖4是該傳感器的優(yōu)選電容檢測(cè)電路的方框圖。這個(gè)電路包括三個(gè)部分：一個(gè)連到公共端A的積分器，積分器的輸出連到一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADC輸出多位數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)低通數(shù)字濾波器輸出一個(gè)時(shí)序控制電路產(chǎn)生各功能塊所需的時(shí)序信號(hào)包括給印制線條B和C的信號(hào)；一個(gè)偏置電路提供各功能塊的電壓偏置信號(hào)。
檢測(cè)電路比較Cab和Cac電容上的電荷差。如果這兩個(gè)電容相同，即在A端子沒有電荷差，表示小球在中間。當(dāng)球滾動(dòng)時(shí)，電容發(fā)生改變，所以在A點(diǎn)會(huì)有電荷差。這個(gè)差值經(jīng)過(guò)積分、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波后輸出比較結(jié)果。當(dāng)Cab比Cac小時(shí)，表示小球在孔左端，反之，表示小球在孔右端。
電容型位置傳感器優(yōu)選將電容檢測(cè)電路裝配在帶孔的PCB上。這樣允許利用傳統(tǒng)的PCB技術(shù)構(gòu)成一個(gè)緊湊的設(shè)計(jì)并且減少所有的寄生電容。
上述傳感器只有3個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)：兩頭和中間。改變孔和印制線條的形狀，電容傳感器也可以做成任意位置檢測(cè)。如圖5，這里，孔是橢圓形，印制線條設(shè)計(jì)成PCB傾角與Vout線性最好的形狀。由于小球的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條曲線，小球與印制線條的距離也是連續(xù)變化的，在不同點(diǎn)形成的電容Caball、Cbball、Ccball都不同，因此圖4電容檢測(cè)電路的輸出OUT也不同，最后OUT就可以表示為傾角的函數(shù)。當(dāng)然，為了能準(zhǔn)確計(jì)算傾角大小，ADC需要更高的精度，比如8bit或更多。
除了上面所述，這種結(jié)構(gòu)還可以用來(lái)做成加速度傳感器。圖6表示了這種加速度傳感器的原理。小球受到兩個(gè)力的作用，重力G＝mg，和外力F＝ma，a是加速度，與外力的方向相反。不管G和F合力Σ（F+G）指向垂直線的左還是右，小球都會(huì)開始運(yùn)動(dòng)。臨界加速度是g＊tg（α），其中g(shù)是重力加速度，α是臨界傾角。這樣，小球開始運(yùn)動(dòng)的傾角為12.9°，加速度為9.81＊tg（12.9）= 2.26m /s2，如果PCB沿某一個(gè)方向的加速度超過(guò) 2.26m /s2，那么，小球就會(huì)向相反方向運(yùn)動(dòng)。另外一個(gè)例子，如果PCB固定為45°，只有PCB組件運(yùn)動(dòng)的加速度超過(guò)重力加速度才能使小球運(yùn)動(dòng)。
三、應(yīng)用實(shí)例MLX90711
在小家電領(lǐng)域里經(jīng)常利用信號(hào)感應(yīng)、位置識(shí)別技術(shù)。下面舉一個(gè)智能電熨斗中的應(yīng)用實(shí)例。
智能電熨斗基于對(duì)電熨斗運(yùn)行狀況的識(shí)別來(lái)進(jìn)行節(jié)電保護(hù)。例如飛利浦的一款電熨斗GC1530，它可以識(shí)別電熨斗平放豎放還是運(yùn)動(dòng)中。主人在熨衣服的過(guò)程中，如果碰巧被其他事情打斷，當(dāng)電熨斗平放持續(xù)時(shí)間超過(guò)30s，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)停止加熱，從而避免燙壞衣服或者引起火災(zāi)。當(dāng)豎直放置時(shí)間超過(guò)8min時(shí)，這時(shí)認(rèn)為主人停止使用，也會(huì)停止加熱從而節(jié)電。
在這種應(yīng)用里，本文所述的位置傳感器技術(shù)就發(fā)揮作用了，圖8是飛利浦電熨斗GC1530中的控制板，小球放置在一個(gè)彎曲的通孔上，右邊就是位置檢測(cè)電路。再配一個(gè)外殼就成了一個(gè)傳感器。當(dāng)電熨斗（PCB組件）水平放置時(shí)，小球位于通孔的中間，兩個(gè)由小球和印制線條組成的電容最小；豎放時(shí)，小球到左端，左邊電容最大；電熨斗熨衣服時(shí)，小球往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)電容交替變大變小。從這個(gè)應(yīng)用中，我們可以切實(shí)體會(huì)到這種傳感器的簡(jiǎn)單實(shí)用。
四、結(jié)論
現(xiàn)在，隨著相關(guān)信號(hào)處理器的性能、可靠性不斷提高，電容檢測(cè)電路已經(jīng)非常成熟。目前因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到很多知名品牌和專業(yè)人士的歡迎，正被廣泛的應(yīng)用到各種自動(dòng)化控制裝置中。
參考文獻(xiàn)：
[1] MELEXIS Co.Ltd.MLX90711 datasheet[Z]
[2] De Winter, Rudi （Heusden-Zolder,BE），Diels, Roger （Erps-Kwerps, BE）.電容型傾斜或加速度傳感器[P].美國(guó)專利: US5627316, 1997-5-6 .
作者簡(jiǎn)介：
李建，上海交通大學(xué)微電子學(xué)院研究生，百利通電子上海有限公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程經(jīng)理。主要從事光纖通信產(chǎn)品的研發(fā)、 始集成電路設(shè)計(jì)及產(chǎn)品可行性研究技術(shù)規(guī)范制定。
