芯耀
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作者：Azoteq中國(guó)
隨著AR/VR眼鏡、頭戴式耳機(jī)和入耳式耳塞、智能手表和健身手環(huán)等可穿戴電子產(chǎn)品受到越來(lái)越多消費(fèi)者的歡迎，如何設(shè)計(jì)外形更加時(shí)尚迷人、功能更加先進(jìn)宜人的穿戴產(chǎn)品成為了創(chuàng)新和創(chuàng)意的焦點(diǎn)。作為全球領(lǐng)先的多傳感器解決方案提供商，Azoteq將在本文中介紹穿戴狀態(tài)檢測(cè)這一重要功能的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
“穿戴狀態(tài)檢測(cè)”是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于在各種條件下保持較長(zhǎng)時(shí)間的近距離接近、觸摸或穿戴狀態(tài)觸發(fā)器。Azoteq的工程團(tuán)隊(duì)在本文中以不同穿戴設(shè)備為例，詳細(xì)講解了如何為這些新穎的設(shè)備增加穿戴狀態(tài)檢測(cè)功能。
1、穿戴狀態(tài)檢測(cè)的定義
檢測(cè)長(zhǎng)時(shí)間使用的可穿戴設(shè)備的穿戴狀態(tài)（穿戴/“戴上”），以及在終止使用或?qū)⒃O(shè)備從人身上移走時(shí)檢測(cè)是否成功釋放。
2、穿戴狀態(tài)檢測(cè)的設(shè)計(jì)
圖2.1 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題
2.1 穿戴狀態(tài)檢測(cè)的電容值
典型的“穿戴狀態(tài)檢測(cè)”應(yīng)用需要區(qū)分電容測(cè)量值中非常小的差異，它因傳感器尺寸和觸摸與接近喚醒的特性影響而產(chǎn)生。
下表列出了一些已知的穿戴狀態(tài)案例和與之相關(guān)的電容值。
表2.1 不同穿戴狀態(tài)檢測(cè)應(yīng)用的典型傳感器尺寸和電容變化值
2.2 電容閾值vs系統(tǒng)總電容
由于在穿戴狀態(tài)檢測(cè)應(yīng)用中觀察到的電容信號(hào)變化很小，因此通常要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更小的閾值。這些閾值對(duì)于傳感器的總負(fù)載來(lái)說(shuō)是微不足道的，環(huán)境變化都可以帶來(lái)類似的或者甚至更大比例的電容信號(hào)，這對(duì)穿戴狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)完整性構(gòu)成了很高的風(fēng)險(xiǎn)。
表2.2 不同穿戴狀態(tài)檢測(cè)應(yīng)用的典型傳感器尺寸和電容變化值
圖2.2 典型的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試情況
圖2.3 典型的使用場(chǎng)景測(cè)試——可能很容易在加熱/冷卻條件下顯示250fF
3、傳感器盤（pad）設(shè)計(jì)
3.1 面積和地線基準(zhǔn)
傳感器的面積和對(duì)系統(tǒng)地電位的參考值將直接影響一個(gè)穿戴狀態(tài)檢測(cè)傳感器的自電容（selfcapacitance）靈敏度，這一可檢測(cè)的范圍通常被稱為接近靈敏度。工程師應(yīng)評(píng)估傳感器與地的關(guān)系，并確保電極能產(chǎn)生合理的電場(chǎng)分布，這些電場(chǎng)能夠按要求在正確的面積或距離上有對(duì)應(yīng)的敏感度。
接近傳感器的最小推薦電極導(dǎo)體面積尺寸為：100mm2
圖3.1 平行板案例的接近靈敏度與寄生負(fù)載的權(quán)衡
3.2 電池上的感應(yīng)盤
- 感應(yīng)盤通常直接被放置在電池上
- 性能通常比預(yù)期的要好，如下所述
圖3.2 鋰離子電池的側(cè)面輪廓顯示外殼材料和其他不導(dǎo)電層
- 電池的“殼”（外殼上的材料）通常是由非導(dǎo)電材料和導(dǎo)電材料組合而成
圖3.3 電池側(cè)廓圖顯示了其中的非導(dǎo)電層和導(dǎo)電層（鋁阻擋層）
- ?“鋁阻擋層”是一種漂浮不定的金屬層，其電容耦合到感應(yīng)盤和電池接地中
圖3.4電池殼對(duì)傳感器電容的影響
- 在這種情況下，電池殼本身也是傳感器的一部分，由傳感器IC間接充電和放電
- 如果CBAT或CGND在使用或跌落測(cè)試過(guò)程中發(fā)生變化，將影響穿戴狀態(tài)檢測(cè)的性能
3.3、屏蔽
根據(jù)圖3.4，建議在感應(yīng)盤和電池之間放置一個(gè)粗帽型網(wǎng)格化接地（hatched GND）屏蔽罩來(lái)最小化CBAT。
設(shè)計(jì)指南：
1.根據(jù)下一節(jié)提供的示例，評(píng)估所需的感應(yīng)盤總面積（單位為mm2）。請(qǐng)注意，網(wǎng)格地（hatched pour）將縮短接近距離，這基于寄生負(fù)載的數(shù)量——請(qǐng)將其保持到最小值，以獲得最佳靈敏度。
2.在相對(duì)的另一層鋪網(wǎng)格地，并連接到IQS傳感器相同的GND地線上。
3.根據(jù)制造商的生產(chǎn)工藝最小限制，使用最細(xì)的走線寬度，大多數(shù)柔性印制板（FPC）工藝的連線寬度通常為0.15mm。
4.使用公式：
5.調(diào)整網(wǎng)格大小參數(shù)，以得到所需的網(wǎng)格線寬在實(shí)際接地部分（GND）所占的百分比。
圖3.1 用典型的PCB設(shè)計(jì)工具，在已定義的感測(cè)區(qū)域上設(shè)置一個(gè)網(wǎng)格化的接地覆銅屏蔽
6.評(píng)估感應(yīng)盤的形狀，以使用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格組模式（45°/ 90°/水平/垂直），這取決于哪種模式最能均勻地覆蓋整個(gè)區(qū)域的感應(yīng)盤。
7.在大約100mm2感應(yīng)盤上，根據(jù)下列網(wǎng)格邊緣所占百分比，應(yīng)該提供可被接受的結(jié)果：
a.接地網(wǎng)格占比為7%——最大屏蔽，最高寄生負(fù)載
b.接地網(wǎng)格占比為5%——中等屏蔽，中等寄生負(fù)載
c.接地網(wǎng)格占比為3%——最小屏蔽，最小寄生負(fù)載
圖3.2 從上到下：a. 接地網(wǎng)格屏蔽為7%；b. 接地網(wǎng)格屏蔽為5%；c. 接地網(wǎng)格屏蔽為3%
8.將接地網(wǎng)格的占比降到最小值，即使在跌落測(cè)試和其它電池運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的使用/測(cè)試案例中，仍然可以成功地屏蔽傳感器而不會(huì)誤觸發(fā)。
9.評(píng)估傳感器信號(hào)在溫度和長(zhǎng)期激活情況下的穩(wěn)定性。
3.4 傳感器盤大小與接近檢測(cè)距離的對(duì)比
圖3.5 用于調(diào)整接近觸發(fā)器距離測(cè)量的測(cè)試設(shè)置（類似于穿戴設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景）
表3.1 測(cè)試用例檢測(cè)傳感盤的大小和布局，并獲得最終的接近距離數(shù)據(jù)
3.5 放置位置和覆蓋范圍
- 在健身手環(huán)的案例中：兩個(gè)獨(dú)立的電極為不同的使用者在佩戴這種設(shè)備時(shí)，提供了更大的覆蓋不同體型和松緊度的范圍。
圖3.6 在采用雙傳感盤的典型健身手環(huán)中放置傳感器的示例。
以健身手環(huán)為例，由于FPC/PCB上用于穿戴狀態(tài)檢測(cè)的空間有限，健身手環(huán)可以通過(guò)將傳感器設(shè)計(jì)打印到塑料機(jī)身上而顯著受益。這解決了覆蓋問(wèn)題，同時(shí)也是最穩(wěn)定的傳感器材料選擇。選擇這種工藝還可以將藍(lán)牙和NFC天線集成到塑料外殼中。
圖3.7 在塑料件上放置天線圖案的示例
3.6 材料
電容式傳感器的電路和基底材料特性會(huì)有很大的不同。電容式傳感器導(dǎo)體和PCB/FPC基底類型包括銅帶、塑料上的印刷油墨、傳統(tǒng)的FR4、FPC變體和簡(jiǎn)單的絕緣線。以下是電容式傳感器使用材料的常用示例清單。
表3.2 典型的基底材料和用作各種傳感器導(dǎo)體的載體適用性
3.7 溫度
長(zhǎng)時(shí)間穿戴狀態(tài)檢測(cè)下，傳遞到諸如智能手表、健身追蹤器等可穿戴設(shè)備和長(zhǎng)時(shí)間保持身體密切接觸的耳機(jī)上的身體熱量會(huì)影響電容式傳感器測(cè)量值。
- 與人的皮膚、耳朵或頭部直接/間接接觸的電極首先會(huì)被加熱，比系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的其他部分更重要。
- 傳遞給傳感器IC和感測(cè)電極的差分變化值不能僅用內(nèi)部補(bǔ)償方法來(lái)解釋，還需要外部參考信道。
- 基底材料的熱力學(xué)特性起著重要的作用，其影響在薄型FPC設(shè)計(jì)中最為顯著。
有關(guān)此主題的詳細(xì)討論，請(qǐng)參閱下一節(jié)。
3.8 防水能力
大多數(shù)可穿戴設(shè)備都具有復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，提供了可以密閉包裹電子部件的外殼，以實(shí)現(xiàn)防止或者阻擋水侵。
圖3.8 存在保水性風(fēng)險(xiǎn)的超聲焊接
- 模具注塑外殼的連接處有可能存在接縫、縫隙、空腔和連接點(diǎn)，因而仍然可能保留外殼外的水分。如果這種水分位于或者在電容傳感器附近或頂部被采集到，它將顯著影響電容傳感器的數(shù)值和性能。這可能導(dǎo)致不正確的穿戴狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果。
- 由于濕度、冷凝和蒸發(fā)引起的環(huán)境條件變化有時(shí)會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的穿戴狀態(tài)檢測(cè)/讀出狀態(tài)。建議在早期設(shè)計(jì)階段進(jìn)行測(cè)試，以確定問(wèn)題區(qū)域。
3.9 水分
如果一款設(shè)計(jì)非常容易受到濕度變化的影響，或者對(duì)于一般針對(duì)不防水的設(shè)備，請(qǐng)參閱下一節(jié)討論基底材料和吸濕影響。
例如，在耳罩中帶有感應(yīng)盤的頭戴式耳機(jī)會(huì)增加受潮風(fēng)險(xiǎn)。在佩戴過(guò)程中，水分增加和水分保留通常會(huì)導(dǎo)致從頭部移除耳機(jī)時(shí)，出現(xiàn)釋放檢測(cè)失敗或顯著延遲釋放。
通過(guò)在對(duì)水分敏感區(qū)域的背面使用對(duì)水分不敏感的材料，如塑料印刷傳感盤（LDS），即可避免這些影響。
4、連接設(shè)計(jì)
4.1 長(zhǎng)度和面積
當(dāng)傳感器線路需要從芯片（IC）布線走到預(yù)期的傳感盤/區(qū)域時(shí)，就需要適當(dāng)?shù)倪B接設(shè)計(jì)。請(qǐng)注意以下事項(xiàng)：
圖4.1 傳感線路走線較長(zhǎng)會(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化并限制性能，而走線較短則會(huì)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并優(yōu)化性能
- 更長(zhǎng)的走線更容易受到各種形式的干擾。
- 由于溫度和濕度的變化，更容易給面積更大的方案帶來(lái)顯著的電容值變化。
- 小心堆疊區(qū)域/多層PCB及薄FPC等分層區(qū)域。
- 當(dāng)參考其他導(dǎo)體/電位時(shí)，機(jī)械干擾就會(huì)改變信號(hào)。
4.2 地面效果和材料選擇
諸如傳感器走線/線路等連接設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)傳感器中的寄生電容產(chǎn)生很大影響。
兩個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)體之間的基板具有比同一層或單層PCB中的導(dǎo)體更大的寄生電容（Cp），上面有其他材料層，或如阻焊膜、塑料外殼等接觸。
表4.1 單層與相互重疊的多層走線——平面耦合
用第一性原理來(lái)確定平行板電容器模擬值（Cx - GND）：
圖4.2 平行板電容器參數(shù)
- εr：相對(duì)介電常數(shù)（無(wú)單位）
- ε0：空氣介電常數(shù)= 8.854 × 10-12 F/m
- A：極板面積（m2）
- d：極板間分隔距離（m）
表4.2 以1mm2面積的雙面平行板為例，觀察到的常用印刷電路基底材料及其寄生電容貢獻(xiàn)的典型范圍
4.3 干擾因素
表4.3 平行共面與正交非共面走線交叉與耦合
4.4 吸濕性
當(dāng)基板吸收了水分以后，就增加了材料的介電常數(shù)（εr），這轉(zhuǎn)化為任何平行導(dǎo)電傳感器板的寄生電容（Cp）的增加。
裸露的、未涂覆的層壓板與涂有阻焊膜的板相比，具有更高的吸濕率。
表4.4 常用PCB/FPC襯底的典型吸水率
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)PCB沒(méi)有被封裝在外殼中，而耳罩將用戶的耳朵包裹起來(lái)時(shí)，濕氣會(huì)對(duì)耳罩式耳機(jī)產(chǎn)生影響，并將微濕/潮濕的空氣與體溫升高相結(jié)合。
然而，濕度的存在仍然會(huì)影響電容式傳感器的測(cè)量，即使使用適當(dāng)?shù)幕撞牧虾途哂械臀鼭裉匦缘耐鈿?。?duì)于相對(duì)濕度含量的變化，用戶與傳感器板之間的空隙的外部變化仍然可以動(dòng)態(tài)變化。下圖顯示了一個(gè)例子，說(shuō)明濕度會(huì)產(chǎn)生多么劇烈的影響。
圖4.3 基于VOPcPho的Al/VOPcPho/Au電容式傳感器的電容與相對(duì)濕度的關(guān)系[p
5、用相應(yīng)的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)
5.1 選擇器件
根據(jù)所需和提供的通道數(shù)量，來(lái)決定具體的IQS器件。
為實(shí)現(xiàn)穿戴狀態(tài)檢測(cè)功能，現(xiàn)在推薦以下器件：
- IQS620A——2個(gè)CX引腳（僅有自電容）；3個(gè)軟件通道
- IQS269A——8個(gè)CX引腳（自容&互容）；8個(gè)靈活的軟件通道
- IQS626A——8個(gè)CX引腳（自容&互容）；3個(gè)靈活的軟件通道
推薦：預(yù)留2個(gè)通道（兩個(gè)單獨(dú)的傳感器CX引腳）來(lái)用于穿戴狀態(tài)檢測(cè)。參見(jiàn)下面的“參考通道”實(shí)現(xiàn)。
5.2 最優(yōu)化的設(shè)置
盡管最新的IQS傳感器（如上推薦）擁有各種軟配置選項(xiàng)來(lái)調(diào)整傳感器的性能，但在選擇設(shè)置以微調(diào)性能之前，首先還是要成功進(jìn)行適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%A1%AC%E4%BB%B6%E8%AE%BE%E8%AE%A1/">硬件設(shè)計(jì)（根據(jù)上述指南），這仍然是至關(guān)重要的。
針對(duì)穿戴狀態(tài)檢測(cè)，現(xiàn)推薦傳感器設(shè)置如下：
- 建議使用慢速充電轉(zhuǎn)移頻率（500kHz或更低）。
- 基準(zhǔn)值>= 100個(gè)，目標(biāo)值±1000個(gè)。
硬件優(yōu)化對(duì)于量產(chǎn)的成功至關(guān)重要。建議在試生產(chǎn)和量產(chǎn)期間驗(yàn)證傳感器的參數(shù)（乘法器和補(bǔ)償），以限制性能的分布范圍，并識(shí)別和隔離制造故障或設(shè)計(jì)缺陷。
5.3 參考通道——內(nèi)部和外部器件參考（基于IC和布局）
圖5.1 圖示主通道和參考通道的走線方式，以得到類似的布線寄生電容
使用“感應(yīng)”和“參考”通道的優(yōu)點(diǎn)：
- 提供最佳的穿戴狀態(tài)檢測(cè)性能
- 在可穿戴產(chǎn)品多元化的運(yùn)行環(huán)境中優(yōu)化傳感器的完整性
- 同時(shí)涵蓋IC、PCB和FPC的環(huán)境變化
圖5.2 圖示是芯片和感應(yīng)電極相隔距離遠(yuǎn)的例子，需要“參考跟隨通道”來(lái)保證長(zhǎng)時(shí)間后仍能精確觸發(fā)
表5.1 傳感和參考通道組合的典型案例
1 長(zhǎng)期平均值（Long term average，LTA）是實(shí)際傳感信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后的平均值。
2 “LTA凍結(jié)”意味著當(dāng)LTA被用作接近/觸摸閾值的參考時(shí)，它不會(huì)被主動(dòng)更新。通常，當(dāng)達(dá)到接近閾值的時(shí)候，LTA將凍結(jié)。
5.4 參考通道——內(nèi)部器件參考（僅基于IC）
當(dāng)需要一個(gè)更簡(jiǎn)單和性價(jià)比更高的選擇時(shí)：
- 還有一些不錯(cuò)的選擇，如IQS620A和IQS624等器件
- 它們只有2個(gè)CX傳感器，沒(méi)有片上參考通道UI執(zhí)行
- 這些可用于穿戴狀態(tài)檢測(cè)通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)
在這些情況下，建議采取以下措施：
- 使用一個(gè)通道作為主傳感器，另一個(gè)通道來(lái)作為參考通道（需要適當(dāng)?shù)牟季€和電容負(fù)載）
- 需要主機(jī)/主MCU去檢索和處理電容測(cè)量數(shù)據(jù)，以確保能夠檢測(cè)出和補(bǔ)償環(huán)境的變化
- 如果兩個(gè)通道都用于傳感器應(yīng)用，如觸摸界面和穿戴狀態(tài)檢測(cè)
- 可以啟用內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換通道
- 這是用于跟蹤芯片本身所承載的任何溫度變化
- 在這種情況下，傳感器電極和芯片所受到的影響應(yīng)該是相同的，并且與成功的參考調(diào)整（如有必要）密切相關(guān)。
不建議將上面提到的（基于內(nèi)部溫度的參考方法）來(lái)作為故障安全解決方案，因?yàn)橐恍┰O(shè)計(jì)更容易受到復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的外部變化的影響，而這些變化IQS芯片無(wú)法準(zhǔn)確的識(shí)別。
6、推薦的設(shè)計(jì)流程
按照以下步驟正確地進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，即可為穿戴狀態(tài)檢測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)和評(píng)估傳感器性能：
1.將IQS芯片放置在盡可能靠近傳感器電極的位置（使寄生電容負(fù)載最小，減少走線暴露在噪聲/環(huán)境變化中）
2.確定好可用的空間（即電極感應(yīng)區(qū)域）和合適的材料來(lái)作為支架和蓋板。
3.請(qǐng)根據(jù)本文檔所討論的結(jié)果來(lái)選擇材料和感應(yīng)盤尺寸。
4.在確定機(jī)械結(jié)構(gòu)之前，反復(fù)打磨原型設(shè)計(jì)使其盡可能地接近預(yù)期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
a. 使用Azoteq提供的工具對(duì)具體的設(shè)計(jì)和傳感器操作環(huán)境進(jìn)行調(diào)試（如評(píng)估相對(duì)計(jì)數(shù)（delta）變化、測(cè)量絕對(duì)電容變化、評(píng)估電池供電引起的信號(hào)減弱的影響）。
b. 在設(shè)計(jì)初期要進(jìn)行環(huán)境變化測(cè)試，包括溫度、濕度和機(jī)械運(yùn)動(dòng)等。
c. 在使用參考通道時(shí)，需要反復(fù)測(cè)試以確保獲得適當(dāng)?shù)膮⒖几?阻塞數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)原型結(jié)果和優(yōu)化措施來(lái)確定材料和感應(yīng)盤尺寸。
6.通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間在不同環(huán)境（熱、冷、出汗、水等）中的類似/重復(fù)測(cè)試和實(shí)際用戶穿戴狀態(tài)測(cè)試，確認(rèn)最終設(shè)計(jì)符合原型測(cè)試結(jié)果。
