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)檢測這一重要功能的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

“穿戴狀態(tài)檢測”是一個(gè)術(shù)語，用于在各種條件下保持較長時(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)檢測功能。

1、穿戴狀態(tài)檢測的定義

檢測長時(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)檢測是否成功釋放。

2、穿戴狀態(tài)檢測的設(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)檢測的電容值

典型的“穿戴狀態(tài)檢測”應(yīng)用需要區(qū)分電容測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)檢測應(yīng)用中觀察到的電容信號變化很小，因此通常要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更小的閾值。這些閾值對于傳感器的總負(fù)載來說是微不足道的，環(huán)境變化都可以帶來類似的或者甚至更大比例的電容信號，這對穿戴狀態(tài)檢測信號完整性構(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)室測試情況

圖2.3 典型的使用場景測試——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)檢測傳感器的自電容（selfcapacitance）靈敏度，這一可檢測的范圍通常被稱為接近靈敏度。工程師應(yīng)評估傳感器與地的關(guān)系，并確保電極能產(chǎn)生合理的電場分布，這些電場能夠按要求在正確的面積或距離上有對應(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在使用或跌落測試過程中發(fā)生變化，將影響穿戴狀態(tài)檢測的性能

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）屏蔽罩來最小化CBAT。

設(shè)計(jì)指南：

1.根據(jù)下一節(jié)提供的示例，評估所需的感應(yīng)盤總面積（單位為mm²）。請注意，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——請將其保持到最小值，以獲得最佳靈敏度。

2.在相對的另一層鋪網(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，在已定義的感測區(qū)域上設(shè)置一個(gè)網(wǎng)格化的接地覆銅屏蔽

6.評估感應(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，即使在跌落測試和其它電池運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的使用/測試案例中，仍然可以成功地屏蔽傳感器而不會(huì)誤觸發(fā)。

9.評估傳感器信號在溫度和長期激活情況下的穩(wěn)定性。

3.4 傳感器盤大小與接近檢測距離的對比

圖3.5 用于調(diào)整接近觸發(fā)器距離測量的測試設(shè)置（類似于穿戴設(shè)備應(yīng)用場景）

表3.1 測試用例檢測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)檢測的空間有限，健身手環(huán)可以通過將傳感器設(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

長時(shí)間穿戴狀態(tài)檢測下，傳遞到諸如智能手表、健身追蹤器等可穿戴設(shè)備和長時(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和感測電極的差分變化值不能僅用內(nèi)部補(bǔ)償方法來解釋，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/讀出狀態(tài)。建議在早期設(shè)計(jì)階段進(jìn)行測試，以確定問題區(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，或者對于一般針對不防水的設(shè)備，請參閱下一節(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)釋放檢測失敗或顯著延遲釋放。

通過在對水分敏感區(qū)域的背面使用對水分不敏感的材料，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)。請注意以下事項(xiàng)：

圖4.1 傳感線路走線較長會(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化并限制性能，而走線較短則會(huì)簡化設(shè)計(jì)并優(yōu)化性能

> 更長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。

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：相對介電常數(shù)（無單位）

> 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沒有被封裝在外殼中，而耳罩將用戶的耳朵包裹起來時(shí)，濕氣會(huì)對耳罩式耳機(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量，即使使用適當(dāng)?shù)幕撞牧虾途哂械臀鼭裉匦缘耐鈿?。對于相對濕度含量的變化，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濕度的關(guān)系[p

5、用相應(yīng)的芯片來實(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，來決定具體的IQS器件。

為實(shí)現(xiàn)穿戴狀態(tài)檢測功能，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）來用于穿戴狀態(tài)檢測。參見下面的“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)挠布O(shè)計(jì)（根據(jù)上述指南），這仍然是至關(guān)重要的。

針對穿戴狀態(tài)檢測，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”來保證長時(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 長期平均值（Long term average，LTA）是實(shí)際傳感信號經(jīng)過濾波后的平均值。

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，沒有片上參考通道UI執(zhí)行

> 這些可用于穿戴狀態(tài)檢測通過特殊的設(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量數(shù)據(jù)，以確保能夠檢測出和補(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

> 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芯片無法準(zhǔn)確的識別。

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)檢測應(yīng)用設(shè)計(jì)和評估傳感器性能：

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）和合適的材料來作為支架和蓋板。

3.請根據(jù)本文檔所討論的結(jié)果來選擇材料和感應(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提供的工具對具體的設(shè)計(jì)和傳感器操作環(huán)境進(jìn)行調(diào)試（如評估相對計(jì)數(shù)（delta）變化、測量絕對電容變化、評估電池供電引起的信號減弱的影響）。

b.在設(shè)計(jì)初期要進(jìn)行環(huán)境變化測試，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)化措施來確定材料和感應(yīng)盤尺寸。

6.通過長時(shí)間在不同環(huán)境（熱、冷、出汗、水等）中的類似/重復(fù)測試和實(shí)際用戶穿戴狀態(tài)測試，確認(rèn)最終設(shè)計(jì)符合原型測試結(jié)果。

有任何關(guān)于設(shè)計(jì)、調(diào)試和測試的額外的詳細(xì)的需求，請聯(lián)系A(chǔ)zoteq。

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