Руководство по проектированию индуктивной сенсорной системы для применения в кнопках человеко-машинного интерфейса (ЧМИ)

Йибо Ю (Yibo Yu), Крис Оберхаузер (Chris Oberhauser)

Часть 2. Начало в №2-2017 бюллетеня «Компоненты TI»

Проектирование сенсора

Общее описание

В индуктивной сенсорной системе используется сенсор, состоящий из индуктивности, включённой параллельно конденсатору, чтобы образовать LC-резонатор.

Этот резонатор создаёт магнитное поле, которое взаимодействует с соседними проводящими материалами. Создаваемое магнитное поле действует в ближней зоне, и поэтому первый принцип проектирования сенсора заключается в том, чтобы гарантировать попадание в это поле нужного проводящего материала, который мы называем рабочей поверхностью.

В документе по применению компонентов TI «Проектирование сенсоров LDC» подробно описывается конструкция сенсора. Многие концепции и рекомендации, содержащиеся в этом документе, применимы к проектированию сенсоров, которые подходят для индуктивных сенсорных систем.

Электрические параметры датчика

Основные электрические параметры индуктивных сенсоров:

  • Резонансная частота сенсора fСЕНСОР.
  • Сопротивление сенсора (представляемое как Rp или Rs).
  • Индуктивность сенсора L.
  • Ёмкость сенсора C.
  • Добротность сенсора Q.
Частота сенсора

Индуктивность и ёмкость определяют частоту сенсора согласно уравнению:

Формула

Вообще, когда магнитное поле сенсора взаимодействует с проводящей рабочей поверхностью, эффективная индуктивность сенсора меняется, вызывая изменение резонансной частоты сенсора.

RP и RS сенсора

RP представляет собой параллельно включённое полное сопротивление колебательного контура на резонансной частоте, а RS представляет собой последовательно включённое полное сопротивление на резонансной частоте. Эти сопротивления являются различными представлениями одних и тех же паразитных потерь.

Когда проводящие материалы приближаются к сенсору, интенсивность вихревых токов возрастает, что соответствует большим потерям в сенсоре. RS сенсора имеет в своей основе модель последовательного электрического соединения, а Rp имеет в основе модель параллельного электрического соединения, как показано на рисунке 14. Важно помнить, что эти сопротивления являются сопротивлениями по переменному току, а не сопротивлениями по постоянному току.

Модели сенсоров

Рисунок 14. Модели сенсоров

Сопротивление RP можно рассчитать по сопротивлению RS с помощью следующего выражения:

Формула

RP сенсора значительно уменьшается, когда проводящий материал приближается к поверхности сенсора, как показано на рисунке 15. Пример графика характеристик сенсора смотрите на рисунке 15, где RP меняется в пределах от 2 до 8 кОм. Это изменение можно считать нормированной характеристикой, применимой к большинству сенсоров. Если сенсор диаметром 4 мм имел сопротивление в свободном пространстве (не будучи установленным в систему) RP, равное 3 кОм, он должен был бы иметь Rp, равное ~2,2 кОм, при расстоянии до проводящего материала 0,5 мм.

Сопротивление RP сенсора может уменьшиться до слишком низкого уровня, если рабочая поверхность приблизится слишком близко к сенсору, и такого состояния нельзя допускать, чтобы кнопка функционировала правильно. Подробнее смотрите в разделе «Ограничения при проектировании устройств LDC2112/LDC2114».

Пример зависимости  сенсора от расстояния до рабочей поверхности

Рисунок 15. Пример зависимости RP сенсора от расстояния до рабочей поверхности

Индуктивность сенсора

Индуктивность сенсора зависит от геометрии индуктивного элемента — площади индуктивного элемента, количества витков, а также от взаимодействия со всеми проводящими материалами. Вообще, чем больше индуктивность, тем легче возбуждать устройство. Дальность действия сенсорного индуктивного элемента зависит главным образом от физического размера индуктивного элемента, а не от значения индуктивности, при этом чем больше индуктивный элемент, тем больше дальность действия.

Ёмкость сенсора

Вообще, ёмкость сенсора выбирается после того, как спроектирован индуктивный элемент, и используется для настройки частоты сенсора. Следует избегать использования очень маленьких ёмкостей сенсоров, чтобы никакие паразитные изменения ёмкости не влияли на работу сенсора. Общая рекомендация заключается в том, что ёмкость сенсора не следует выбирать меньше 22 пФ.

Добротность сенсора

Добротность сенсора Q — это мера отношения индуктивности сенсора к его сопротивлению по постоянному току. Вообще, желательно иметь её значение как можно выше, потому что тогда сенсор требует меньше энергии для поддержания колебаний. Q сенсора можно рассчитать с помощью уравнения 3:

Формула

RS — это последовательное сопротивление сенсора по переменному току на рабочей частоте. Добротность Q сенсора можно увеличить либо увеличив индуктивность сенсора, либо уменьшив RS сенсора, либо уменьшив его ёмкость.

Индуктивная сенсорная система

Технологию LDC можно использовать для обнаружения прогиба металла, как модель кнопки. Эта возможность даёт много преимуществ, например возможность работы с гладкими, отполированными металлическими поверхностями кнопок, работа в условиях высокой влажности, стойкость к ложным срабатываниям при отсутствии касания кнопки, а также надёжная работа, даже если пользователь работает в перчатках. Такая система рассматривается в документе по применению компонентов TI «Руководство по проектированию индуктивных сенсорных кнопок с металлической рабочей поверхностью».

Ограничения при проектировании устройств LDC2112/LDC2114

LDC2112/LDC2114 — это преобразователь индуктивности в цифровой сигнал с высоким разрешением, внутренние алгоритмы которого способны обнаруживать изменения индуктивности, соответствующие нажатиям кнопок с металлическими или другими рабочими поверхностями. Он требует, чтобы подключённые сенсоры имели следующие параметры:

  • 1 МГц ≤ fCEНСОP ≤ 30 МГц;
  • 350 Ом ≤ RP ≤ 10 кОм;
  • 5 ≤ Q ≤ 30.

Если параметры сенсора не укладываются в указанные пределы, устройство LDC2112/LDC2114 может оказаться не в состоянии измерять изменения индуктивности и в результате не будет обнаруживать касания индуктивной сенсорной системы. Эти ограничения можно представить наглядно так, как показано на рисунке 16, который получен на основе выражения 1.

Рабочая зона LDC2112/LDC2114

Рисунок 16. Рабочая зона LDC2112/LDC2114

Граница минимальной частоты сенсора справа вверху соответствует выражению:

Формула

а левая нижняя граница соответствует максимальной частоте сенсора:

Формула

Если ёмкость сенсора слишком мала, влияние паразитной ёмкости может ухудшить работу сенсора, что определяет левую границу; хоть эта граница показана при ёмкости 10 пФ, некоторые системы могут испытывать проблемы и при больших ёмкостях сенсора. Вообще рекомендуется использовать ёмкость сенсора больше 22 пФ.

Зависимость изменения индуктивности от расстояния до рабочей поверхности

Рисунок 17. Зависимость изменения индуктивности от расстояния до рабочей поверхности

Физическая конструкция сенсора

Физический размер сенсора

Работа индуктивной сенсорной системы имеет в основе магнитное поле сенсора, взаимодействующее с металлической поверхностью. Поэтому магнитное поле должно достигать поверхности металла. «Размер» магнитного поля определяется размером индуктивного элемента — чем больше индуктивный элемент, тем больше генерируемое магнитное поле.

В случае круглого индуктивного элемента размером индуктивного элемента считается диаметр. В случае некруглого индуктивного элемента эффективным диаметром сенсора считается минимальный размер по одной из осей (рисунок 18).

Диаметр сенсора

Рисунок 18. Диаметр сенсора при круглом индуктивном элементе и индуктивном элементе в форме беговых дорожек стадиона

Положение конденсатора сенсора

Рекомендуется располагать конденсатор сенсора рядом с контактом INn, но не рядом с сенсором. Такое размещение позволяет избежать влияния линии передачи в высокочастотных сенсорах.

Экранирование печатных проводников INn

Для надёжной работы индуктивных сенсорных систем печатные проводники INn не должны иметь значительных изменений ёмкости в зависимости от времени. Изменения паразитной ёмкости могут вызывать ложные нажатия кнопок, если печатные проводники INn не экранированы. Рекомендуется окружить печатные проводники INn экраном, соединённым с контактом COM, как показано на рисунке 19.

Экранирование проводников INn с подключением к контакту COM

Рисунок 19. Экранирование проводников INn с подключением к контакту COM

Ёмкость экранирования

LC-резонатор может реагировать как на изменения индуктивности, так и на изменения ёмкости. Чтобы не допустить никакого влияния ёмкости, вызывающего нежелательные ответные сигналы, металлическая рабочая поверхность должна иметь фиксированный постоянный потенциал. Поэтому при конструировании системы сенсора и рабочей поверхности проводящая рабочая поверхность должна быть заземлена по переменному току, чтобы экранировать все внешние ёмкости.

Заземлённая по переменному току рабочая поверхность

Рисунок 20. Заземлённая по переменному току рабочая поверхность для экранирования влияния ёмкостей

Выбор номинала CCOM

Контакт COM может замыкать нагрузку до 20 нФ на землю. Номинал CCOM должен быть выбран таким образом, чтобы нижеуказанное соотношение выполнялось во всех каналах:

Формула

Это требование должно быть выполнено, даже если номинал CСЕНСОР не одинаковый во всех каналах.

Многослойная конструкция

Индуктивность сенсора зависит от площади, количества витков индуктивного элемента и его удаления от рабочей поверхности. Во многих индуктивных сенсорных системах желательный физический размер кнопок может быть 3 мм в диаметре или менее. Низкая общая индуктивность меньшего сенсора может привести к тому, что частота сенсора окажется вне расчётного диапазона LDC2112/LDC2114. При использовании нескольких слоёв сенсоров с чередующимся направлением закручивания витков общая индуктивность, из-за дополнительной взаимной индуктивности между слоями, будет значительно выше по сравнению с однослойной конструкцией.

Конструкция двухслойного сенсора

Рисунок 21. Конструкция двухслойного сенсора

В большинстве систем достаточно конструкций с 2 слоями или с 4 слоями. Хотя 4-слойный сенсор сложнее и дороже 2-слойного сенсора аналогичной геометрии, LDC2114 может эффективно работать с 4-слойным сенсором, имеющим меньшие физические размеры, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Приблизительная минимальная ширина сенсора в зависимости от ограничений, связанных с изготовлением

Возможное расстояние
между витками
Количество
слоёв
Минимальный размер
межслойного соединения
Минимальная ширина
сенсора, мм
4 мил (0,1016 мм) 2 15 мил (0,4 мм) 2,85
4 мил (0,1016 мм) 4 15 мил (0,4 мм) 2,30
3 мил (0,076 мм) 2 15 мил (0,4 мм) 2,05
3 мил (0,076 мм) 4 15 мил (0,4 мм) 1,91
2 мил (0,051 мм) 2 15 мил (0,4 мм) 1,65
2 мил (0,051 мм) 4 15 мил (0,4 мм) 1,53
2 мил (0,051 мм) 4 12 мил (0,305 мм) 1,38

Однослойный сенсор обычно не так эффективен, поскольку взаимная связь между слоями в многослойном сенсоре обеспечивает значительное увеличение индуктивности сенсора. Кроме того, потребуется второй проводник, чтобы отвести ток от центра сенсора обратно в LDC.

Минимальная ширина сенсора, имеющего фиксированную длину 8 мм, при расстоянии до рабочей поверхности 0,2 мм. Оценка рабочих характеристик этих сенсоров не проводилась. Эти сенсоры предполагают, что толщина диэлектрика между слоями составляет 1 мил (25 мкм).

Паразитная ёмкость сенсора

Отдельные витки индуктивного элемента имеют физическую площадь и разделены диэлектриком, что проявляет себя в виде небольшого паразитного конденсатора, подключённого параллельно каждому витку. Эти паразитные ёмкости следует свести к минимуму, чтобы сенсор работал оптимально. Одним простым, но эффективным способом снижения паразитной ёмкости многослойного сенсора является смещение параллельных печатных проводников разных слоёв, как показано на рисунке 22.

Смещение печатных проводников для снижения паразитной ёмкости

Рисунок 22. Смещение печатных проводников для снижения паразитной ёмкости

Разделители сенсоров

Обеспечение стабильного расстояния (зазора) между сенсором и рабочей поверхностью имеет важное значение для эффективной работы сенсорной системы. Это обеспечивается элементом конструкции системы, который называется разделителем.

Ширина и толщина сенсора

Рисунок 23. Ширина и толщина сенсора

Обычно толщина разделителя находится в диапазоне от 0,1 до 0,5 мм, в зависимости от геометрии сенсора и его электрических параметров. Вообще, чем тоньше разделитель, тем лучше работает система, при условии, что электрические характеристики сенсора находятся в пределах ограничений устройств LDC2112/LDC2114. Обычно оптимальная работа обеспечивается выбором толщины разделителя менее 10% от диаметра индуктивного элемента (в случае прямоугольного или эллиптического сенсора — 10% от длины короткой стороны).

Зависимость чувствительности от расстояния до рабочей поверхности

Рисунок 24. Зависимость чувствительности от расстояния до рабочей поверхности

При креплении сенсора к рабочей поверхности путем приклеивания могут потребоваться более широкие разделители, чтобы обеспечить более прочное крепление к рабочей поверхности.

Элемент жёсткости сенсора

Если сенсор выполнен на гибкой печатной плате, ему требуется опора в виде элемента жёсткости. Если гибкий сенсор не имеет опоры, он может деформироваться при любом движении, что будет приводить к ложным срабатываниям. Опора должна иметь ровную поверхность, которая минимально искривляется под воздействием температуры, влажности и нагрузок. Опорная конструкция, которую часто называют элементом жёсткости для систем, где применяются LDC, не должна быть проводящей, в противном случае Q и RP сенсора могут оказаться ниже минимальных уровней, которые могут поддерживать устройства LDC2112/LDC2114. Использование FR4 в качестве подложки широко применяется для гибких печатных плат и подходит для LDC-сенсоров. При сенсорах меньшей толщины допускается применение элемента жёсткости на основе эпоксидной смолы.

Отдельные элементы жёсткости для каждого сенсора

Рисунок 25. Отдельные элементы жёсткости для каждого сенсора

Элемент жёсткости должен быть выполнен из непроводящего материала, в противном случае RP сенсора может оказаться слишком низким для работы с устройствами LDC2112/LDC2114, и по этой причине не следует использовать элементы жёсткости из нержавеющей стали и алюминия.

Если несколько сенсоров выполнены на одной гибкой печатной плате, элемент жёсткости должен быть отдельным для каждой секции сенсоров, иначе механическое взаимное влияние сенсоров друг на друга может быть значительно больше.

В некоторых системах элемент жёсткости может быть компонентом, который уже есть в системе — например, стеклянная поверхность, или если сенсоры выполнены из жёсткого материала, такого как FR4.

Обычно печатные платы из FR4 или других жёстких материалов не требуют специального элемента жёсткости.

Индуктивный элемент в форме беговых дорожек

В некоторых индуктивных сенсорных системах, где требуются очень маленькие сенсоры, индуктивность круглого или квадратного сенсора оказывается слишком низкой. Элемент удлинённой формы, например прямоугольной или напоминающей беговые дорожки стадиона, как показано на рисунке 26, будет иметь больший номинал индуктивности. Такая форма эффективна для кнопок на боковой стороне мобильных телефонов.

Трассировка сенсора с формой индуктивного элемента

Рисунок 26. Трассировка сенсора с формой индуктивного элемента в виде беговых дорожек

Пример сенсора

Ниже представлен пример конструкции сдвоенного сенсора. Сенсоры имеют размер 2,85×8 мм, 8 витков, как показано на рисунке 26. Печатные проводники выполнены из меди толщиной 9 мкм (0,25 унции), имеют ширину 75 мкм и расстояние между проводниками 50 мкм. Индуктивность сенсора в свободном пространстве — приблизительно 1,3 мкГн, и он имеет ёмкость 47 пФ. Индуктивность смонтированного сенсора ниже ввиду взаимодействия с проводящей рабочей поверхностью.

Оценка параметров этого сенсора была проведена с помощью вкладки «Racetrack Inductor Designer» (расчёт индуктивных элементов в форме беговых дорожек) программы расчета устройств LDC «LDC Calculations Tool». На рисунке 27 приведён пример исходных данных, введённых в этот программный инструмент расчёта, чтобы рассчитать описываемый здесь сенсор. Заметим, что данный инструмент обеспечивает получение оценок таких параметров, как RS, RP, Q, L и частота, на основании выражений 1-3.

Вкладка расчёта индуктивных элементов

Рисунок 27. Вкладка расчёта индуктивных элементов в форме беговых дорожек программы расчёта устройств LDC

Результатом расчёта программы являются оценки параметров в свободном пространстве (без рабочей поверхности) и их значения, когда сенсор смонтирован в системе с рабочей поверхностью вблизи него. Как видно из таблицы 2, если сенсор смонтирован, его параметры находятся в пределах рабочей зоны устройств LDC2112/LDC2114.

Таблица 2. Параметры сенсора

Параметры сенсора Сенсор в свободном
пространстве
Сенсор, смонтированный
в системе
Рабочая зона
LDC2112/LDC2114
Индуктивность сенсора, мкГн 1,3 0,76  
Ёмкость сенсора, пФ 47 47  
Частота сенсора, МГц 19,4 26,7 1-30
RP сенсора 7,3 кОм 1,4 кОм 350 Ом ≤ RP ≤ 10 кОм
Q сенсора 41 11 5 ≤ Q ≤ 30

Проводники, проложенные между сенсором и разъёмом, экранированы верхним и нижним слоями, которые соединены с контактом сигнала COM. Для соединения верхнего и нижнего экранов используются регулярно разнесённые межслойные соединения.

Пример конструкции сдвоенного сенсора

Рисунок 28. Пример конструкции сдвоенного сенсора

Изгиб трассировки экранированных линий используется для снятия механических напряжений.

В этом примере элементы жёсткости и разделители интегрированы в сенсор. Конструкция разделителей и элементов жёсткости показана на рисунке 29.

Конструкция зоны сенсора

Рисунок 29. Конструкция зоны сенсора

Каждая зона сенсора имеет свой элемент жёсткости и два разделителя. Гибкая зона между двумя сенсорами обеспечивает механическую изоляцию между двумя сенсорами.

В таблице 3 отражена конфигурация слоёв сенсора. Толщина элемента жёсткости может меняться в зависимости от механических параметров. Вообще, выполнение разделителей при изготовлении сенсора обычно обеспечивает более жёсткий допуск на толщину разделителя, чем выполнение разделителей путём механообработки в корпусе.

Таблица 3. Конфигурация слоёв сенсора

Слой Тип Материал Толщина, мил Толщина, мм Материал диэлектрика
Элемент жёсткости Диэлектрик Сердцевина печатной платы 32 0,813 FR4
Верхнее покрытие Покрытие
Верхнее покрытие гибкого слоя Паяльная маска/покрытие Материал поверхности 0,4 0,010 Покрытие
Верхний слой Проводник сигналов Медь 0,46 0,012
Гибкий слой 1 Диэлектрик Плёнка 0,47 0,012 Полиимид
Слой проводников сигналов Проводник сигналов Медь 0,46 0,012
Гибкий слой 2 Диэлектрик Плёнка 1 0,025 Полиимид
Нижний слой Проводник сигналов Медь 0,46 0,012
Нижнее покрытие гибкого слоя Паяльная маска/покрытие Материал поверхности 0,4 0,010 Покрытие (полиимид)
Нижний припой 1 Паяльная маска/покрытие Материал поверхности 0,4 0,010 Паяльный резист
Нижнее покрытие Покрытие
Разделитель Диэлектрик Плёнка 5 0,127 Полиимид
Общая толщина 41,05 1,043

Разделитель и элемент жёсткости имеются не во всей конструкции сенсора, как показано на рисунке 30. Разделитель нужен только на концах областей расположения кнопок. Элемент жёсткости нужен над сенсором и разъёмами, там, где они есть. Элемент жёсткости может быть выполнен из более тонкого материала, если это требуется для конкретной системы.

Компоновка слоёв сенсора в различных зонах

Рисунок 30. Компоновка слоёв сенсора в различных зонах

Заключение

В этом руководстве по проектированию мы рассмотрели механические аспекты проектирования индуктивных сенсорных кнопок, в которых используются технологии индуктивных сенсорных элементов для достижения оптимальной чувствительности и надёжности, включая компоновку слоёв конструкции, и базовый порядок расчёта электрических параметров. Процесс расчёта сенсора, который можно использовать в индуктивных сенсорных системах на основе устройств LDC2112/LDC2114, можно описать следующим образом:

  1. Определение размера физического пространства, доступного для сенсора.
  2. Использование инструментов проектирования для расчёта сенсора, который укладывается в диапазон рабочих параметров LDC2112/LDC2114.
  3. Использование экранированной конструкции для трассировки проводников INn.
  4. Выполнение всех разделителей или элементов жёсткости, которые требуются.

Архитектура с низким энергопотреблением устройств LDC2112/LDC2114 позволяет использовать их для работы с сенсорами кнопок. В конструкции корпуса не требуется никаких вырезов в местах расположения кнопок. Это может способствовать снижению стоимости изготовления и повышению стойкости корпуса к влаге, пыли и грязи. Это большое преимущество по сравнению с традиционными механическими кнопками, имеющимися на рынке в настоящее время.