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Qvar 是意法半导体推出的一款静电传感器,适用于人体存在检测和运动检测、触摸检测和用户界面 (UI) 应用。 本应用笔记涵盖 Qvar 感应通道的配置和操作指南。 在塑料地板上行走然后触摸金属门把手时,人体通常会感知到轻微的触电感。脱下羊毛衫时,可能会产生微小的电火花。在衣服上反复摩擦气球,可以将它粘住。这些日常生活中的种种迹象表明:物体之间的摩擦可以产生静电或电荷。事实上,发生摩擦接触的物体之间都会产生静电。有时,接触的物体之间即便没有发生摩擦,两者分开后也会产生静电。 目前流行的传感器普遍采用声学、电阻、电容、压电、光学和电磁感应技术,而静电传感器尚未获得广泛应用。相对于其他类型的传感器而言,静电传感器具有高性价比和高灵敏度等优势。
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简介
Qvar 是意法半导体推出的一款静电传感器,适用于人体存在检测和运动检测、触摸检测和用户界面 (UI) 应用。
本应用笔记涵盖 Qvar 感应通道的配置和操作指南。
在塑料地板上行走然后触摸金属门把手时,人体通常会感知到轻微的触电感。脱下羊毛衫时,可能会产生微小的电火花。在衣服
上反复摩擦气球,可以将它粘住。这些日常生活中的种种迹象表明:物体之间的摩擦可以产生静电或电荷。事实上,发生摩擦接
触的物体之间都会产生静电。有时,接触的物体之间即便没有发生摩擦,两者分开后也会产生静电。
世间万物都是由原子构成的,每个原子都有一个带正电的原子核,原子核被大量电子包围。当两种不同的材料密切接触(如摩
擦)时,其中一种材料吸引电子的能力可能更强,导致部分电子被拉拽到该材料中。当这两种材料分开时,其中一种材料可获得
更多的电子(带负电),而另一种材料将失去一些电子(带正电),具体情况取决于二者的功函数。这种现象通常被称为摩擦起
电 (triboelectricity) 或摩擦起电效应 (triboelectric effect),“tribo”表示摩擦。日常生活中摩擦起电现象非常普遍,因此静电传感器
可用于检测或感知各种人类活动、机械系统或工业过程。
目前流行的传感器普遍采用声学、电阻、电容、压电、光学和电磁感应技术,而静电传感器尚未获得广泛应用。相对于其他类型
的传感器而言,静电传感器具有高性价比和高灵敏度等优势。
Qvar 感应
AN5755
应用笔记
AN5755 - Rev 4 - April 2023
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1 静电荷感应原理
材料之间发生接触或者材料与固体表面或液体表面接触,均会在材料上产生静电荷。可以通过电极和电子信号调节
电路检测到电荷的存在,但是具体的电荷量通常不易测得。
带电粒子转移会导致电场波动,进而在电子电路中产生信号。如果电极嵌入绝缘体中或者电极与带电粒子之间没有
直接接触,则感应过程是通过静电感应实现的。如果电极暴露于电荷中,则由于电极与带电粒子之间发生物理接触
而导致电荷转移。
如果使用暴露于电荷中的电极,将同时发生静电感应和电荷转移,但通常以前者为主。如果经绝缘处理的电极连接
到具有输入电阻 Ri 的信号调节电路,则后者可以测量电子流并产生可测量的输出。
静电传感器基于静电感应或电荷转移的感应原理,与电磁效应之间没有任何关联。静电感应传感器与电容传感器的
感应原理相似。这是因为带电物体可以视为电容器的一个极板,而电极本身可以视为另一个极板。带电物体与电极
之间的相对运动将改变两个极板之间的距离,从而改变电容值。同理,带电物体上的电荷量可能会随时间发生变
化,因此极板之间的电压也会变化。
Qvar 代表电荷 (= Q) 变化 (= var)。它是一种能够测量准静电电位变化的电位感应通道,适用于以下应用:
• 接触式和非接触式人体运动检测与人体运动步态分析
• 人体存在检测
• 用户界面 (UI)
• 漏水检测
下文以人体运动为例进行介绍。行走、跑跳等人类日常行为会产生静电,因此人体本身自带电位 (U)。
这种静态电位变化在几毫秒内消失,因为人体通过空气 (C
x
) 或鞋底 (C
s
) 和地板 (C
F
) 与大地之间存在耦合电容。
下图显示了一个站立的人和一个行走的人,分别标有相应的电位和电荷术语,图片下方包含这些术语的解释。
图 1. 站立与行走
• U
BML
= 静止人体电位
• Q
BML
= 静止人体电荷
• dU
BS
= 行走人体电位
• dQ
BS
= 行走人体电荷
以静止人体为例,根据下图所示的模型,计算人体本身与大地之间的耦合电容。
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静电荷感应原理
AN5755 - Rev 4
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图 2. 人体模型
由于人体行走而随时间发生变化的 U
BS
(人体电位)使用如下模型进行计算:
grad U
BS
=
dU
BS
dt
= Q
BS
=
1
εaS
dx
dt
−
x
εaS
2
dS
dt
其中:
x = 脚与地板之间的距离
S = 脚与地板的实际接触面积
εa = 鞋底与地板之间气隙的介电常数
请注意,这里出现两个重要术语。
第一个术语是 dS/dt。该术语表示鞋底运动与电位变化的关系,其中 S 是脚与地面之间的实际接触面积。
第二个术语是 dx/dt 分数表示。该术语表示 x 变化与电位变化的关系,其中 x 是脚与地面之间的距离。
人体行走时,上述 2 个因素的变化成反比。脚与地面之间的实际接触面积增加时,脚与地面之间的距离就会减少,
反之亦然。
下图显示了人体佩戴电极(不接触皮肤)的情况下连续行走时的 Qvar 感应信号。
图 3. 在室内和室外行走时的 Qvar 信号
具体而言,Qvar 感应通道可以检测到该电极上感应到的差分电位变化。
电极有以下三种放置方法:
1. 放在人体上但不接触皮肤
2. 放在人体上且接触皮肤
3. 不放在人体上
前两种称为 Qvar 贴身功能,第三种称为 Qvar 雷达功能。
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静电荷感应原理
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2 Qvar 感应通道架构
下图显示了器件(包含外部电极)的
高层框图。
图
4. Qvar 感应通道架构
Electrodes
AFE
ADC
SPI i
2
C
Digital processing unit
此架构的主要模块包括:
• 外部电极:必须将一个或两个电极连接到相应的引脚,Qvar 才能够采集感应数据。电极的数量以及尺寸由具
体应用决定
•
Qvar 模拟前端 (AFE)
• 模数转换器 (ADC)
• 数字处理器
• SPI 或 I²C 通信接口
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Qvar 感应通道架构
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冻结的鱼
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