电容感应传感器的电极相关的屏蔽尺寸和位置对性能的影响

这篇文章我将讨论屏蔽传感器设计，以及与传感器电极相关的屏蔽尺寸和位置如何影响传感器性能。

屏蔽层相对于传感器的形状和位置是电容传感器设计中的一个重要因素。如图 1 所示，没有屏蔽的感应角度会拾取场线附近的任何杂散干扰。带屏蔽的感应角度取决于屏蔽与传感器相比有多大以及屏蔽与传感器的距离有多近。尽管屏蔽有助于减轻来自周围区域的寄生电容干扰的影响，但它确实会降低系统的灵敏度和整体动态范围。

我对四种不同的屏蔽配置进行了实验，以确定屏蔽与方向性、灵敏度和寄生电容干扰缓解之间的关系。这里采用的隔离传感器拓扑主要用于接近和手势识别应用，例如系统唤醒检测和信息娱乐显示交互。目标对象是人的手(接地目标)。四种配置是：

1. 仅限 CIN1 电极。

2. Shield1 与 CIN1 大小相同，位于下方。

3. Shield1 比 CIN1 大 200%，位于下方。

4. Shield1 环添加在与 CIN1 相同的平面上，Shield1 位于下方(与配置 3 相同)。

显示了传感器布局叠层的顶部和侧面轮廓。屏蔽传感器电极将有助于阻止任何外部干扰和噪声。实验结果表明，即使屏蔽并不能完全消除所有干扰，但确实可以显着降低干扰。传感器的顶部是人手的预期目标区域(在接近和手势识别应用中)。顶部是接近检测最常见的方向，而来自侧面和底部的接近被视为不需要的干扰。当寄生电容(人手)从传感器一侧接近时电容的变化。很明显，随着屏蔽尺寸的增加，干扰的影响会降低。

传感器从预期目标方向(从顶部)的灵敏度。请注意，增加屏蔽面积会在一定程度上降低目标区域的灵敏度和动态范围。这是因为屏蔽减少了终止于最近接地源的电场线的数量。各种应用都需要一定的接近范围和干扰余量;由于屏蔽与范围和干扰没有线性关系，因此需要针对每种情况调整屏蔽的大小。表 1 显示，无论是使用与传感器尺寸相同的防护罩，还是使用面积大 200% 的防护罩，对目标区域灵敏度的影响大致相同。但是使用更大的防护罩可以减少受到侧面干扰的脆弱性。

具有底部干扰的测量表明，在距离传感器固定距离处，电容变化显着降低。由于电极边缘附近的边缘场，除非屏蔽比传感器大得多(一个数量级)，否则所有干扰都无法消除。

总的来说，屏蔽是保护系统信号完整性的一种非常有效的方法。屏蔽的放置和配置取决于应用和可接受的寄生电容的数量。最多可消除 77% 的寄生电容干扰，代价是灵敏度降低 74%，具体取决于所需的感应范围和屏蔽配置。您需要正确表征每个系统以确定最佳屏蔽参数。