为 AR 眼镜 等多种智能可穿戴设备添加 穿戴状态检测 功能

作者： Azoteq 中国

随着 AR/VR 眼镜、头戴式耳机和入耳式耳塞、智能手表和健身手环等可穿戴电子产品受到越来越多消费者的欢迎，如何设计外形更加时尚迷人、功能更加先进宜人的穿戴产品成为了创新和创意的焦点。作为全球领先的多传感器解决方案提供商， Azoteq 将在本文中介绍穿戴状态检测这一重要功能的设计要点。

“穿戴状态检测”是一个术语，用于在各种条件下保持较长时间的近距离接近、触摸或穿戴状态触发器。 Azoteq 的工程团队在本文中以不同穿戴设备为例，详细讲解了如何为这些新颖的设备增加穿戴状态检测功能。

1 、穿戴状态检测的定义

检测长时间使用的可穿戴设备的穿戴状态（穿戴 / “戴上” ），以及在终止使用或将设备从人 身上移走 时 检测是否 成功释放。

2 、 穿戴状态检测的设计

 

图 2 .1 传感器系统设计课题

2.1 穿戴状态检测的电容值

典型的 “穿戴状态检测”应用需要区分电容测量值中非常小的差异，它因传感器尺寸和触摸与接近唤醒的特性影响而产生。

下表列出了一些已知的穿戴状态案例和与之相关的电容值。

表 2.1   不同穿戴状态检测应用的典型传感器尺寸和电容变化值

 

2.2 电容阈值 vs 系统总电容

由于在穿戴状态检测应用中观察到的电容信号变化很小，因此通常要求系统设计具有更小的阈值。这些阈值对于传感器的总负载来说是微不足道的，环境变化都可以带来类似的或者甚至更大比例的电容信号，这对穿戴状态检测信号完整性构成了很高的风险。

表 2.2   不同穿戴状态检测应用的典型传感器尺寸和电容变化值

 

 

图 2 .2   典型的实验室测试情况

图 2 .3   典型的使用场景测试 ——可能很容易在加热 / 冷却 条件 下显示250fF

3 、 传感器盘（ pad ）设计

 

3.1 面积和地线基准

传感器的面积和对系统地电位的参考值将直接影响一个穿戴状态检测传感器的自电容（ selfcapacitance ）灵敏度，这一可检测的范围通常被称为接近灵敏度。工程师应评估传感器与地的关系，并确保电极能产生合理的电场分布，这些电场能够按要求在正确的面积或距离上有对应的敏感度。

接近传感器的最小推荐电极导体面积尺寸为： 100mm ²

 

图 3.1   平行板 案例 的接近灵敏度与寄生负载的权衡

3.2 电池上的感应盘

> 感应盘通常直接被放置在电池上

> 性能通常比预期的要好，如下所述

 

图 3.2   锂离子电池的侧面轮廓显示外壳材料和其他不导电层

> 电池的 “壳”（外壳上的材料）通常是由非导电材料和导电材料组合而成

 

图 3.3   电池侧廓图 显示了其中的 非导电层和导电层（铝阻挡层）

> “铝阻挡层”是一种漂浮不定的金属层，其电容耦合到感应盘和电池接地中

 

图 3.4 电池壳对传感器电容的影响

> 在这种情况下，电池壳本身也是传感器的一部分，由传感器 IC 间接充电和放电

> 如果 CBAT 或 CGND 在使用或 跌落测试 过程中发生变化，将影响穿戴状态检测 的 性能

3.3 、屏蔽

根据图 3.4 ，建议在感应 盘 和电池之间放置一个 粗帽型网格化接地（ hatched GND ）屏蔽罩 来最小化CBAT 。

设计指南：

1.  根据下一节提供的示例，评估所需的感应盘总面积（单位为 mm ² ）。请 注意 ， 网格地（ hatched pour ） 将 缩短接 近距离 ，这 基于寄生负载 的数 量 ——请 将其保持 到 最小值 ， 以获得最佳灵敏度。

2.  在相对的 另一 层铺网格地，并连接到 IQS 传感器相同的 GND 地线 上。

3.  根据制造商的生产工艺最小限制，使用最细的走线宽度， 大多数 柔性印制板（ FPC ） 工艺的 连 线宽度通常为0.15mm 。

4.  使用公式：

5.  调整网格大小参数，以得到所需的网格线宽在实际接地部分（ GND ）所占的 百分比。

 

图 3.1   用 典型的PCB 设计工具，在 已 定义的感测区域上 设 置一个 网格化 的 接地覆铜 屏蔽

6.  评估感应盘的形状，以使用适当的网格组模式（ 45°/ 90°/ 水平 / 垂直），这取决于哪种模式最能均匀地覆盖整个区域的感应 盘 。

7.  在大约 100mm ²感应盘 上， 根据 下列 网格边缘所占 百分比 ， 应 该 提供可 被 接受的结果：

a.  接地网格 占比为 7% —— 最大屏蔽，最高寄生负载

b.  接地网格占比为 5% ——中等屏蔽，中等寄生负载

c.  接地网格占比为 3% ——最小屏蔽，最小寄生负载

  图 3.2   从上到下：a. 接地网格屏蔽为 7% ；b.   接地 网格屏蔽为 5% ；c. 接地网格屏蔽为 3%

8.  将接地网格的占比 降到最小值， 即使 在 跌落 测试和其 它 电池运动 诱发 的使用/ 测试案例中，仍然可以成功地屏蔽传感器而不会误触发。

9.  评估传感器信号在温度和长期激活情况下的稳定性。

3.4 传感器盘大小与接近检测距离的对比

 

图 3.5   用于调整 接近 触发器距离 测量 的测试设置（类似于穿戴设备 应用场景 ）

表 3.1   测试用例检测 传感盘 的大小和布局，并获得最终的 接近 距离 数据

 

 

3.5 放置位置和覆盖范围

> 在健身手环的案例中：两个独立的电极为不同的使用者在佩戴这种设备时，提供了更大的覆盖不同体型和松紧度的范围。

 

图 3.6   在采用双传感 盘 的典型健身手环中 放置传感器 的示例。

以健身手环为例，由于 FPC/PCB 上用于穿戴状态检测的空间有限，健身手环可以通过将传感器设计打印到塑料机身上而显著受益。这解决了覆盖问题，同时也是最稳定的传感器材料选择。选择这种工艺还可以将蓝牙和 NFC 天线集成到塑料外壳中。

 

图 3.7   在塑料 件 上放置 天线 图案的示例

3.6 材料

电容式传感器的电路和基底材料特性会有很大的不同。电容式传感器导体和 PCB/FPC 基底 类型包括铜带 、 塑料上的印刷油墨 、 传统的FR4 、 FPC 变体和简单的绝缘线。以下是电容式传感器使用 材料 的常用示例 清单 。

表 3. 2 典型的 基 底材料和用作 各种 传感器导体的载体适用性

 

 

3.7 温度

 

长时间穿戴状态检测下，传递到诸如智能手表、健身追踪器等可穿戴设备和长时间保持身体密切接触的耳机上的身体热量会影响电容式传感器测量值。

> 与人的皮肤、耳朵或头部直接 / 间接接触的电极首先 会 被加热，比系统设计 中 的其他部分更重要。

> 传递给传感器 IC 和 感测 电极的 差分变化值 不能仅用内部补偿方法来解释 ， 还需要外部参考 信 道。

> 基底材料的热力学特性 起着重要的作用，其影响 在薄型 FPC 设计中最为显著。

有关此主题的详细讨论，请参阅下一节。

3.8 防水能力

大多数可穿戴设备都具有复杂的机械设计，提供了可以密闭包裹电子部件的外壳，以实现防止或者阻挡水侵。

 

图 3.8   存在 保水性 风险的超声焊接

> 模具注塑外壳的连接处有可能存在接缝、 缝隙 、 空腔 和 连接 点，因而 仍然可 能保留 外壳外的水分。如果这种水分位于 或者 在电容传感器附近或顶部 被采集到 ，它将显著影响电容传感器的数 值 和性能。这可能导致不正确的穿戴状态检测结果。

> 由于湿度、冷凝和蒸发引起的环境条件变化有时会导致不准确的穿戴状态检测 / 读出 状态。建议在早期设计阶段进行测试，以确定问题区域。

3.9 水分

如果一款设计非常容易受到湿度变化的影响，或者对于一般针对不防水的设备， 请参阅下一节讨论 基底 材料和吸湿影响。

例如，在耳罩中带有感应盘的头戴式耳机会增加受潮风险。在佩戴过程中，水分增加和水分保留通常会导致从头部移除耳机时，出现释放检测失败或显著延迟释放。

通过在对水分敏感区域的背面使用对水分不敏感的材料，如 塑料印刷传感 盘（ LDS ） ，即可 避免这些影响。

4 、连接设计

 

4.1 长度和面积

当传感器线路需要从芯片（ IC ） 布线 走 到预期的传感 盘 / 区域时， 就 需要适当的连接设计。请注意以下事项：

 

图 4.1   传感线路走线较长会使设计复杂化 并 限制性能，而走线较短则会简化设计 并 优化性能

> 更长的走线更容易受到各种形式的干扰。

> 由于温度和湿度的变化，更容易给面积更大的方案带来显著的电容值变化。

> 小心堆叠区域 / 多层 PCB 及 薄FPC 等 分层区域 。

> 当参考其他导体 / 电位 时，机械 干扰就 会改变信号。

4.2 地面效果和材料选择

诸如传感器走线 / 线路 等连接设计 会对传感器中的寄生电容产生很大影响。

两 个或更多 个 导体之间的基板具有比同一层或单层PCB 中的导体更 大 的寄生电容（Cp ），上面有其他材料层， 或 如阻焊膜 、 塑料外壳等 接触 。

表 4.1   单层与 相互 重叠 的 多层 走线 ——平 面耦合

 

用第一性原理来确定平行板电容器模拟值（ Cx - GND ） ：

 

图 4.2   平行板电容器 参数

> εr ：相对介电常数（无单位）

> ε0 ：空气介电常数 = 8.854 × 10-12 F/m

> A ： 极 板面积（m2 ）

> d ： 极 板间分 隔 距离 （ m ）

表 4.2   以1mm ² 面积的双面平行板为例，观察到的常用印刷电路 基 底材料及其寄生电容贡献的典型范围

 

4.3 干扰因素

表 4.3   平行共面与正交非共面走线交叉与耦合

 

4.4 吸湿性

当基板吸收了水分以后，就增加了材料的介电常数（ εr ），这转化为任何平行导电传感器板的寄生电容（ Cp ）的增加。

裸露的、未涂覆的层压板与涂有阻焊膜的板相比，具有更高的吸湿率。

表 4.4   常用PCB/FPC 衬底 的典型吸水率

 

根据经验，当 PCB 没有被封装在外壳中，而耳罩将用户的耳朵包裹起来时，湿气会对耳罩式耳机产生影响，并将 微 湿/ 潮湿的空气与体温升高相结合。

然而，湿度的存在仍然会影响电容式传感器的测量，即使使用适当的基底材料和具有低吸湿特性的外壳。对于相对湿度含量的变化，用户与传感器板之间的空隙的外部变化仍然可以动态变化。下图显示了一个例子，说明湿度会产生多么剧烈的影响。

 

图 4.3   基于VOPcPho 的 Al/VOPcPho/Au 电容式传感器的电容与相对湿度 的 关系[p

5 、用相应的芯片来实现设计

 

5.1 选择器件

根据所需和提供的通道数量，来决定具体的 IQS 器件 。

为实现穿戴状态检测功能，现在推荐以下器件：

> IQS620A —— 2 个 CX 引脚（仅 有 自电容）；3 个 软件 通道

> IQS269A —— 8 个 CX 引脚（自容 & 互容 ）；8 个 灵活的软件 通道

> IQS626A —— 8 个 CX 引脚（自容 & 互容 ）；3 个 灵活的软件 通道

推荐：预留 2 个通道 （两个单独的传感器CX 引脚） 来 用于穿戴状态检测。参见下面的 “ 参考 通道 ” 实现。

5.2 最优化的设置

尽管最新的 IQS 传感器（如上 推荐 ）拥有各种软配置选项来调整传感器 的 性能，但在选择设置以微调性能之前，首先 还是 要成功进行适当的硬件设计（根据上述 指南 ），这仍然是至关重要的。

针对穿戴状态检测，现推荐传感器设置如下：

> 建议使用慢速充电转移频率（ 500kHz 或更低）。

> 基准值 >= 100 个，目标值 ±1000 个。

硬件优化对于量产的成功至关重要。建议在试生产和量产期间验证传感器的参数（乘法器和补偿），以限制性能的分布范围，并识别和隔离制造故障或设计缺陷。

5.3 参考通道—— 内部和外部器件参考（基于IC 和布局）

 

图 5.1   图示主通道和 参考 通道 的 走线方式 ，以 得到 类似的 布线 寄生 电容

使用 “感应”和“ 参考 ”通道 的优点：

> 提供最佳的穿戴状态检测性能

> 在可穿戴产品多元化的运行环境中优化传感器的完整性

> 同时涵盖 IC 、 PCB 和 FPC 的环境变化

 

图 5.2   图示是芯片和感应电极相隔距离远的例子， 需要 “ 参考 跟随通道 ”来保证长时间后仍能精确触发

表 5.1   传感和参考通道组合的典型案例

 

1 长期平均值 （Long term average ， L TA ）是实际传感信号经过滤波后的平均值。

2 “ LTA 冻结 ” 意味着当LTA 被用作接近 / 触摸阈值的参考时，它不会 被 主动更新。通常，当 达到 接近阈值 的 时 候 ，LTA 将冻结。

 

5.4 参考通道 —— 内部器件参考（仅基于IC ）

当需要一个更简单和性价比更高的选择时：

> 还有一些不错的选择，如 IQS620A 和 IQS624 等器件

> 它们只有 2 个 CX 传感器，没有片上参考 通道 UI 执行

> 这些可用于穿戴状态检测通过特殊的设计

在这些情况下，建议采取以下措施：

> 使用一个通道作为主传感器，另一个通道来 作为参考 通道（需要适当的布线和电容负载）

> 需要主机 / 主 MCU 去 检索和处理电容测量数据，以确保 能够 检测 出 和补偿环境 的 变化

> 如果两个通道 都用于传感器 应用，如 触摸界面和穿戴状态检测

> 可以启用内部温度转换通道

> 这是用于跟踪芯片 本身所 承载 的任何温度变化

> 在这种情况下，传感器电极和芯片 所 受到 的影响应该是 相同 的，并且 与 成功的参考调整（如有必要）密切相关。

不建议将上面提到的（基于内部温度的参考方法）来作为故障安全解决方案，因为一些设计更容易受到复杂的、动态的外部变化的影响，而这些变化 IQS 芯片无法准确的 识别。

6 、推荐的设计流程

按照以下步骤正确地进行原型设计，即可为穿戴状态检测应用设计和评估传感器性能：

1.  将 IQS 芯片放置在 尽可能靠近传感器 电极的位置（使 寄生电容负载 最小， 减少 走线暴露在 噪声/ 环境变化 中）

 

2.  确定好可用的空间（即电极感应区域）和合适的材料来作为支架和盖板。

 

3.  请根据本文档所讨论的结果来选择材料和感应盘尺寸。

4.  在确定机械结构之前，反复打磨原型设计使其尽可能地接近预期的产品设计。

a. 使用 Azoteq 提供的 工具 对具体 的设计和传感器操作环境 进行调试（如 评估相对计数（delta ）变化 、 测量绝对电容变化 、评估 电池 供电引起的信号减弱的影响） 。

b. 在设计初期要进行环境变化测试，包括温度、湿度和机械运动等。

c. 在使用参考通道时，需要反复测试以确保获得适当的参考跟踪 / 阻塞 数据 。

5.  根据原型结果和 优化 措施来 确定材料和感应 盘 尺寸。

6.  通过长时间在不同环境（热、冷、出汗、水等）中的类似 / 重复测试和实际用户穿戴状态测试，确认最终设计 符合 原型测试结果。

有任何关于设计、调试和测试的额外的详细的需求，请联系 Azoteq 。

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