摘 要：
本文介绍了电容型位置传感器的设计开发，通过与传统位置检测传感器以及其它相关传感器的结构和特性的对比，突出了电容型位置传感器的优势——成本低、结构紧凑。在详细分析了电容型位置传感器的结构和检测原理的基础之上，详细介绍了如何设计关键部件PCB的开孔印制线条以及小球的选择。同时基于对该技术的扩展，又介绍了可衍生出的连续位置传感器和加速度传感器。最后结合电容检测芯片MLX90711，介绍了其在小家电领域—飞利浦智能电熨斗中的应用实例。
一、前言
本文介绍的电容式位置传感器是为解决位置检测而设计开发的。这是一种非常有应用潜力的传感器，它利用传统的PCB技术，配合一个小球滚动引起电容变化，再利用电容检测电路来实现对PCB组件的倾角或加速度的检测。由于PCB技术很成熟而钢球很廉价，所以这项技术简单易行而且有着非常广阔的应用前景。虽然最初只是为位置传感器开发，但将该技术拓展后，又可衍生出加速度传感器。
传统位置检测器（倾角传感器）依赖可运动部件和静态元件的电接触（欧姆）来实现位置检测。通常，这样的系统要么采用一个导电小球，要么用液态导电介质如水银做运动部件。前者典型的缺点是小球的脏污、氧化和被腐蚀会影响系统的性能；水银导电的传感器则要求特殊的容器，而且水银属重金属既有毒又昂贵还不环保，在全球环保呼声日益强烈的情势下必将被淘汰。
当然以前也有些检测电容变化的位置传感器。这样的系统采用某种液体，把它放在球型容器里。球型容器的侧壁作为电容极板，这样里面液体的动荡就引起侧壁电容量的改变。还有一些是利用磁性或感性元件和半导体元件。这些系统都是为检测特定角度和速度而开发的。但是他们大部分都不适合低成本、紧凑应用的需求，特别是无法和PCB板融为一体。而本文将介绍的电容型位置传感器由三部分组成——PCB（印制线路板）、小球、电容检测电路，基本可以解决这些问题。
二、印制线路板的图形要求
图1是PCB的顶视图， 上面开一个通孔，孔的形状为中间宽两头窄，对称分布，长度宽度尺寸根据系统要求计算得出。孔的边沿覆有三根印制线条图形，分别标识为A、B、C，其中 A位于通孔的一边，另外两个印制线条B、C相互对应放在另一边的左右两侧。当PCB组件经历倾斜或加速时，小球沿着通孔滚动，印制线条AB和AC与小球形成的电容Cab、Cac发生变化。A、B、C采集电容变化信号送到电容检测器电路。
在这个传感器里，通孔的中间距离必须稍大，使得金属小球停在通孔中间时的重心最低。通孔的形状决定了传感器倾角为多少时，小球开始运动。
1、对小球的要求
球虽然是导电的，但不要求与PCB的任何端子有欧姆接触。系统对球的导电要求很低，只是利用它实现电荷的重新分配。由于球的表面不需导电，因此不必担心它脏污、受潮、氧化、腐蚀。实际上，小球的电阻可以尽可能大，例如 5M 欧姆都不会影响系统的性能，所以，系统对小球的要求很低，既不需要特殊形状的容器，也不需要其他类型的非PCB组件的结构，只要是圆的就可以满足要求，例如，我们很容易找到的轴承里的钢珠。
2、工作原理
如图1所示，当PCB平放时，小球停在通孔中间。只有当PCB板倾斜到一定角度时，小球才能滚动。这个角度由通孔的形状和尺寸决定。图2 是计算倾角的示意图。球位于中点时，重心最低在P1。随着球往一端滚动，通孔宽度变窄，所以重心逐渐提高到P2。倾角即是P1与P2的连线和PCB板的夹角。通过调整通孔的长度、中部的宽度或小球的尺寸，可以实现不同的倾角。例如， 11mm 长，孔中部 4.6mm 宽，球的直径为 5mm 。按照这样的尺寸，倾角阈值为12.9°。由于所有的尺寸减半仍然能获得相同的倾角，因此传感器可以设计成很小的尺寸。回到图1，当小球在孔道上滚动时，相应的电容Cab、Cac会发生变化。例如当球滚到左端，球和A、C间的距离缩短，AC间的电容Cac会因为距离缩短而变大。
图3提供了球和印制线条间电容值的计算模型。我们知道，电容值正比于两极板的面积而反比于两极板间距。这样，小球和印制线条在某点形成的电容近似等于球的映射面积Ai除以球表面和印制线条间距离di。总电容Ca，ball近似为ΣAi/di，i覆盖球和印制线条的所有表面。相应地，球滚到另一边，即右边时，球与A和B的距离最小，A与小球间的电容Ca，ball最大，而B与小球间的电容Cb，ball最大。电容Cab为Ca，ball和Cb，ball的串连。这样，球在右边时，电容Cac最小，Cab最大。
印制线条被直接连到电容检测电路，以检测电容值的变化，从而判别出球的位置。为了更好的理解本文介绍的基于PCB技术的电容型位置传感器的原理，下面结合方框图来介绍。
图4是该传感器的优选电容检测电路的方框图。这个电路包括三个部分：一个连到公共端A的积分器，积分器的输出连到一个模数转换器，ADC输出多位数字信号，经过一个低通数字滤波器输出一个时序控制电路产生各功能块所需的时序信号包括给印制线条B和C的信号；一个偏置电路提供各功能块的电压偏置信号。
检测电路比较Cab和Cac电容上的电荷差。如果这两个电容相同，即在A端子没有电荷差，表示小球在中间。当球滚动时，电容发生改变，所以在A点会有电荷差。这个差值经过积分、模数转换、数字滤波后输出比较结果。当Cab比Cac小时，表示小球在孔左端，反之，表示小球在孔右端。
电容型位置传感器优选将电容检测电路装配在带孔的PCB上。这样允许利用传统的PCB技术构成一个紧凑的设计并且减少所有的寄生电容。
上述传感器只有3个稳定状态：两头和中间。改变孔和印制线条的形状，电容传感器也可以做成任意位置检测。如图5，这里，孔是椭圆形，印制线条设计成PCB倾角与Vout线性最好的形状。由于小球的运动轨迹是一条曲线，小球与印制线条的距离也是连续变化的，在不同点形成的电容Caball、Cbball、Ccball都不同，因此图4电容检测电路的输出OUT也不同，最后OUT就可以表示为倾角的函数。当然，为了能准确计算倾角大小，ADC需要更高的精度，比如8bit或更多。
除了上面所述，这种结构还可以用来做成加速度传感器。图6表示了这种加速度传感器的原理。小球受到两个力的作用，重力G＝mg，和外力F＝ma，a是加速度，与外力的方向相反。不管G和F合力Σ（F+G）指向垂直线的左还是右，小球都会开始运动。临界加速度是g＊tg（α），其中g是重力加速度，α是临界倾角。这样，小球开始运动的倾角为12.9°，加速度为9.81＊tg（12.9）= 2.26m /s2，如果PCB沿某一个方向的加速度超过 2.26m /s2，那么，小球就会向相反方向运动。另外一个例子，如果PCB固定为45°，只有PCB组件运动的加速度超过重力加速度才能使小球运动。
三、应用实例MLX90711
在小家电领域里经常利用信号感应、位置识别技术。下面举一个智能电熨斗中的应用实例。
智能电熨斗基于对电熨斗运行状况的识别来进行节电保护。例如飞利浦的一款电熨斗GC1530，它可以识别电熨斗平放竖放还是运动中。主人在熨衣服的过程中，如果碰巧被其他事情打断，当电熨斗平放持续时间超过30s，系统就会自动停止加热，从而避免烫坏衣服或者引起火灾。当竖直放置时间超过8min时，这时认为主人停止使用，也会停止加热从而节电。
在这种应用里，本文所述的位置传感器技术就发挥作用了，图8是飞利浦电熨斗GC1530中的控制板，小球放置在一个弯曲的通孔上，右边就是位置检测电路。再配一个外壳就成了一个传感器。当电熨斗（PCB组件）水平放置时，小球位于通孔的中间，两个由小球和印制线条组成的电容最小；竖放时，小球到左端，左边电容最大；电熨斗熨衣服时，小球往复运动，两个电容交替变大变小。从这个应用中，我们可以切实体会到这种传感器的简单实用。
四、结论
现在，随着相关信号处理器的性能、可靠性不断提高，电容检测电路已经非常成熟。目前因其价格低廉、技术性能稳定而受到很多知名品牌和专业人士的欢迎，正被广泛的应用到各种自动化控制装置中。
参考文献：
[1] MELEXIS Co.Ltd.MLX90711 datasheet[Z]
[2] De Winter, Rudi （Heusden-Zolder,BE），Diels, Roger （Erps-Kwerps, BE）.电容型倾斜或加速度传感器[P].美国专利: US5627316, 1997-5-6 .
作者简介：
李建，上海交通大学微电子学院研究生，百利通电子上海有限公司现场应用工程经理。主要从事光纤通信产品的研发、 始集成电路设计及产品可行性研究技术规范制定。
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