Sensori capacitivi per il rilevamento di prossimità

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I sensori di prossimità tradizionali caratterizzati da un raggio d’azione (range) esteso hanno finora utilizzato la tecnologia a infrarossi caratterizzata da alti costi ed elevati consumi di potenza. Il rilevamento capacitivo, d’altro canto, si propone come una valida soluzione alternativa più economica e in grado di garantire minori consumi di potenza.

Fig. 1 – Sulla sinistra, i LED sono spenti ma non appena la mano si avvicina i LED vengono accesi, come mostrato sulla destra

Una tipica applicazione potrebbe essere una antenna di prossimità, nota anche come pad capacitivo. I parametri di progettazione da tenere in considerazione sono la dimensione dell’antenna, la sua posizione rispetto al piano di massa e le impostazioni specifiche all’interno del sensore capacitivo che in questo caso è un dispositivo della linea RightTouch di SMSC, azienda facende parte di Microchip Technology. Attenendosi a poche e semplici linee guida, il dispositivo RightTouch è in grado di rilevare l’approssimarsi di un utente o il movimento di oggetti metallici nelle vicinanze.

Tre sono gli elementi fisici di progettazione critici necessari da tenere in considerazione per ottenere il massimo raggio d’azione di rilevamento con un’elevata intensità di segnale e basso rumore. In primo luogo, la distanza tra antenna e piano di massa deve essere la maggiore possibile; il piano di massa in questo caso potrebbe essere qualsiasi strato della scheda PCB come pure oggetti metallici posti nelle vicinanze. In secondo luogo l’antenna deve essere la più grande possibile. Infine, il libertà di movimento dell’antenna all’interno del sistema deve essere limitata: per conseguire questo obbiettivo è possibile ricorrere a nastro biadesivo, adesivi, graffette o altro ancora.

La progettazione inizia con la definizione del raggio d’azione e della funzione. Per esempio, si può definire un raggio di azione di 5 cm per il rilevamento dell’avvicinamento a una scheda pulsanti per monitor o di 25 cm per il rilevamente dell’avvicinamento a una cornice fotografica digitale di 25 cm.

Piano di massa

Qualsiasi piano di terra o superficie metallica posta in prossimità dell’antenna ridurrà il range del rilevamento di prossimità. I piani di massa hanno due effetti sulla prossimità. Il primo è che questi schermano l’oggetto in avvicinamento se quest’ultimo viene posto sul percorso dell’oggetto, di fatto riducendo il raggio d’azione del sensore. Il secondo è che aumentano la capacità di base una volta posti direttamente al di sotto o adiacenti all’antenna di prossimità.

Nello spazio libero, un’antenna può rilevare o emettere liberamente in qualsiasi direzione con un’attenuazione molto ridotta. Quando viene introdotto un piano di massa, i segnali emessi o rilevati dall’antenna terminano sul piano stesso. Al diminuire della distanza tra massa e antenna anche l’intensità del campo radiante diminuisce. Quindi se un piano di massa è posto via via più vicino all’antenna, anche la distanza di rilevamento si riduce progresivamente.

Un piano di massa contribuisce all’aumento della capacità dell’antenna rispetto al valore che avrebbe se la medesima antenna si trovasse nello spazio libero. Antenne di grandi dimensioni poste in prossimità di un piano di massa (come ad esempio una piazzola solida di area pari a 25 cm² con un piano di massa solido su una scheda PCB a doppio strato da 0,08 cm) supererà il range di calibrazione dei dispositivi SMSC.

Costruzione e forma dell’antenna

Il progetto di ogni singolo sistema è unico in quanto deve soddisfare precisi criteri estetici e vincoli fisici.

Le forme dell’antenna ad anello (loop antenna) – piste di grandi dimensioni con il centro vuoto – sono adatte per dispositivi di ampie dimensioni quali cornici fotografiche e tastiere. I pad solidi, invece, sono più adatti per l’uso in applicazioni che prevedono schede con pulsanti di dimensioni inferiori. I loop contribuiscono a ridurre la capacità complessiva “vista” dal dispositivo e a creare un’area di copertura maggiore. La forma tipica di un pad è più adatta a schede di piccole dimensioni dove la distanza da terra è limitata e l’area del pad è necessaria per generare il raggio d’azione desiderato.

Fig. 2 – Visualizzazione Gerber della scheda con pulsante

Una antenna ad anello può avere qualsiasi rapporto d’aspetto, come ad esempio 20 x 20 cm o 5 x 40 cm. La decisione sarà presa in base alla funzione desiderata e al fattore di forma. Loop di soli 1 x 1cm creano un grado di prossimità ridotto. Loop di 30 x 30 cm (filo di 30AWG) danno invece vita a range di prossimità più esteso. Loop più grandi, o filo di diametro maggiore possono provocare il superamento del range di calibrazione del dispositivo per cui la capacità di base totale dovrebbe non risultare superiore a 45pF al fine di prevenire situazioni di “fuori scala” nell’intervallo di temperature previste o in situazioni mon convenzionali (come ad esempio la calibrazione in presenza di detriti sul sensore).

Nel caso un pad rappresenti la soluzione migliore per la particolare applicazione considerata, la forma non presenta un problema. Un pad lungo e stretto di 1 x 25 cm (25 cm²) sarebbe senz’altro adatto per la parte inferiore o laterale di un monitor LCD. Se lo spazio a disposizione fosse ancora maggiore, un pad di dimensioni pari a 5 x 5 cm (25 cm²) creerebbe una sorta di “cupola” di ampie dimensioni per il rilevameno di prossimità, così come un pad circolare con un raggio di 2.83 cm (circa 25 cm²).

Se la capacità fosse troppo grande, la sagoma potrebbe essere convertita in un anello rimuovendo l’area centrale del quadrato o del cerchio.

Non esistono praticamente vincoli per quanto riguarda le forme: un’antenna può assumere forme circolari, ovali, quadrate, retangolari o addirittura serpentine attorno alle schede. L’efficacia complessiva dell’antenna non è determinata dalla forma bensì dall’area del conduttore relativa all’utente o all’oggetto in avvicinamento alla zona di prossimità. Il range di prossimità è direttamente proporzionale alla dimensione dell’antenna. Antenne più grandi garantiscono raggi d’azione di rilevamento di prossimità maggiori.

Le antenne ad anello pososno essere realizzate mediante solide spire di rame con o senza isolamento, circuiti flessibili oppure direttamente su una scheda PCB. Nel caso si utilizzino delle spire, rigide o intrecciate, le prestazioni saranno simili, tuttavia il filo rigido è più semplice da assemblare in un processo produttivo. Fili di sezione maggiore garantiranno un raggio d’azione più elevato grazie all’aumento della superficie. Vincoli di natura fisica potrebbero porre dei limiti alle dimensioni dei fili da utilizzare.

All’inizio del progetto è possibile utilizzare conduttori di diametro pari a 30AWG e utilizzare diametri via via maggiori finché non siano stati raggiunti il raggio d’azione desiderato, i vincoli estetici o i limiti di calibrazione.

Nel caso di una antenna ad anello implementata su una scheda PCB, maggiore è l’ampiezza della pista maggiore sarà il raggio d’azione. Una pista di larghezza minima pari a 0,18 mm funzionerà come antenna, anche se piste più ampie garantiranno un raggio d’azione maggiore.

Le formde delle piazzole sulla scheda PCB debbono seguire le stesse linee guida: aumantare la superficie e minimizzare la distanza con la massa.

Fig. 3 – Visualizzazione Gerber della EVB-CAP1188

Configurazione

Una volta progettata e assemblata l’antenna, è necessario procedere alla scrittura del software di configurazione. Sono due gli aspetti critici della programmazione software da tener presente per ottenere il massimo raggio di rilevamento con elevata intensità di segnale e basso rumore. Il primo è aumentare il guadagno e la sensibilità nel dispositivo e il secondo è ridurre il valore medio del rumore.

Nell’offerta di SMSC sono presenti due tipologie di dispositivi per il rilevamento di prossimità. Mentre nella prima la modalità di prossimità è integrata (CAP1114 e CAP1214), nella seconda tale modalità è definita dall’utilizzatore (famiglia CAP1188). Nel seguito saranno riportati tre esempi di prossimità. Il primo è rappresentato da una cornice fotografica con una antenna ad anello di ampie dimensioni costituita da un conduttore solido. Il secondo prevede una scheda a pulsanti con un’antenna lunga e sottile per rilevare l’approssimarsi di un utilizzatore e illuminare le funzioni dei pulsanti. Il terzo esempio contempla l’uso di EVB-CAP1188 di SMSC ed evidenzia la possibilità di utilizzare sia un pad lungo e sottile sia un’antenna ad anello basata su PCB.

Nel primo caso l’obbiettivo è l’accensione dei LED per indicare la posizione dei sensori tattili quando l’utilizzatore si avvicina alla cornice da qualsiasi direzione e si trova a una distanza di circa 25 cm (Fig. 1)

In questo caso le dimensioni somo le seguenti: 25 x 20 cm (contenitore esterno), 17,5 x 19 cm (LCD) e 24 x 19 cm (antenna). Il filo di prossimità utilizzato aveva un diamentro di 24 AWG e la capacità calibrata di 45 pF. Il raggio d’azione del rilevamento di capacità era compreso tra 24 e 26 cm.

Nel secondo esempio (Fig. 2), l’obiettivo è rilevare l’avvicinamento dell’utente (frontalmente o lateralmente) alla scheda con pulsanti con l’accensione dei LED che si verifica a una distanza di 5 cm per mostrare le icone che indicano le funzioni del sensore.

In questo caso la scheda misura 190 x 15 mm e l’antenna di prossimità 188 x 2,5 mm. Non c’è massa sotto l’antenna di prossimità su qualsiasi strato. La capacità calibrata è di 15 pF mentre il raggio d’azione del rilevamento di prossimità è di 7 cm.

Il terzo e ultimo esempio (Fig. 3) prevede un’antenna ad anello di piccole dimensioni: in questo caso l’utilizzatore si avvicina alla scheda frontalmente e a una distanza di 6 cm al di sopra dei LED questi si accendono per indicare la distanza di prossimità.

La scheda misura 95 x 50 mm con il loop di prossimità di dimensioni pari a 82 x 10 mm; il touch pad non è connesso. Il filo di prossimità è una pista di 0,18 mm e non esiste massa sotto l’antenna di prossimità su qualsiasi strato. La capacità calibrata è di 44 pF, ridotta a 37 pF a causa della lunghezza delle piste che vanno dal chip all’antenna e della presenza di parecchie vias. Il raggio di azione del rilevamento capacitico era di 6 cm.

Altre considerazioni

Le regole base di progettazione qui illustrate rappresentano una base solida per realizzare un progetto di rilevamento capacitivo affidabile.

A volte può capitare che i requisiti di progetto siano più rigorosi. Per esempio, in un ambiente caratterizzato dalla presenza di elevato rumore RF potrebbe essere necessario aggiungere un condensatore di capacità compresa tra 5 e 15 pF a massa in prossimità del dispositivo per fornire un percorso alla radiofrequenza prima di entrare nel dispositivo. Un percorso RF può essere creato anche aumentando leggermente la massa sotto il pad di prossimità. Una resistenza in serie da 100Ω (max 500Ω) può costituire un piccolo filtro RC per separare il rumore prima che entri nel dispositivo

Se la capacità di base è maggiore di 50 pF è sufficiente aggiungere un condensatore di capacità compresa tra 25 e 40 pF in serie al pad di prossimità per rientrare nel range. Inoltre è consigliabile cercare di ridurre l’area del pad di prossimità e la superficie della massa sotto e attorno al pad stesso.

Nel corso dell’articolo sono quindi state illustrate tre differenti modalità di utilizzo dei sensori capacitivi della famiglia RightTouch in applicazioni di rilevamento di prossimità su distanze comprese tra 4 e 26 cm. I dispositivi in questioni risultano altresì adatti per rilevamenti con distanze variabili da 1 a 28 cm.

Lacio di Jasio, Business development manager Europe - Mcu8, Microchip

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