电容传感技术使智能家电更智能

作者/ Greg Kuchuris Molex印刷型电路解决方案市场经理

摘要：本文介绍了电容传感器技术在智能家电中的应用，以及基于 PEDOT 的电容技术方案及其应用。

　　在这个智能连接的时代，即使是家用电器也在积极地参与其中。电子解决方案和设计策略的范畴不断拓展，协助制造厂商开拓创新，推出各种精巧的智能家电。下一代电容技术可以带来更高的自由度，以经济节省的方式来整合起各种增强功能，提高家用电器的功能性和娱乐性，满足当下社会以技术为中心的家庭消费者的需求。

固态电容液位传感技术

　　液位传感对于一系列现代化的家用电器来说是一种核心技术。浸没式机械系统在传统上一直服务于这一领域，用于制冰机、洗碗机、洗衣机、水过滤系统及饮料售卖机等。这类系统中使用的传感器、浮子和开关都浸没在液体当中，这会造成过度的磨损、腐蚀，甚至是交叉污染。传统的机械流体传感系统存在局限，使用标准的圆柱形或矩形的储罐才能得到一致的测量结果。长时间不断地与流体接触会使机械精度降低，并且缩短传感器的寿命。

　　对于寻求更好的设计策略的家用电器制造商来说，现在可以使用电容式液位传感器来应对这些挑战。电容式传感器可以保证精准的液位测量结果，同时提高精度，并降低设置成本，采用了定制的端对端解决方案，校准软件安装简便。这一技术提高了设计的灵活性，与传统的机械式系统相比，电器的操作也更加耐久、效率更高。电容式液位传感器采用了与智能手机屏幕相同的基本概念，对手指的触摸做出响应的传感器，可以方便地安装在容器的外部，通过几乎任何非金属材料都可对流体或颗粒材料进行测量。可以采用定制的设计，并且针对从自动饮料出售机到洗碗机在内的一系列家用电器应用进行优化。电容式液位传感器采用了固态设计，不含任何运动的部件，无需浸没在储罐内，因此，产品寿命更长，而测量结果也更加精确。

　　传统的印刷电路板可以用于安装在平面安装储罐上的电容式液位传感器，而超薄的聚酯或聚酰亚胺柔性电路则更适用于罐体表面弯曲或者空间受限的应用。采用柔性电路后，设计人员可以选择使用非传统形状的储罐来优化可用空间。电容式液位解决方案一般包含优化的嵌入式软件，在配置后可以自动校准，方便安装，或者采用手动校准来达到高精度。可以将一台独立的电容式液位传感器作为点传感器来提示在液罐中的给定液位位置是否存在流体。或者，在高低液位处同时使用两台传感器可以触发补充液位，在达到所需的液位后再关闭液流，从而对储液器中的流体进行调节。

　　电容式液位传感器的输出接口可包含 USB、I2C 或离散信号，具体则与应用有关。在结合了微处理器使用后，传感器可以无线方式将信号数据发送到控制单元。随着越来越多的家用电器与家用系统都在通过物联网 (IoT) 连接到用户的设备，从而简化维护功能，电容式液位传感器提供了一种使能的技术，可以提醒更换过滤器或添加液体，并且增强了为家务安排时间之类的功能，还可以直接连接到制造商处，询问有关维护的问题并且进行软件更新。

高效的电容式用户界面

　　高品质的功能与设计可产生良好的第一印象。在家电设计中，电容式触摸屏现在的发展速度已经超过了配有杂乱的按钮和开关的机械界面以及电阻式触摸功能。这是由于电容式技术在整体上具有更高的可靠性，提供更加直观的用户界面。从品牌塑造的观点来说，许多制造商现在正在转向电容式触摸屏，因为触摸屏的设计更加具有吸引力、博人眼球，为消费者提供一种“货真价实”的感觉。定制的电容式触摸屏可以整合并结合多种开关形式与布局，包括离散开关、滑动开关、滚轮等，还可以结合起触摸式及非触摸式的产品。

　　环境因素对于设计、材料的选择以及制作来说也是重要的考虑事项。尽管大多数家庭中的环境都相对稳定，电器往往会受到每天温湿度变化的影响，此外还有频繁的使用，以及消费者不经意的错误使用，都会造成影响。选用印刷电路板、聚酰亚胺，还是聚酯基板将取决于具体应用。其中每一种选择都将带来独一无二的设计上的挑战、制造成本，以及在电容接口上的操作限制。

　　基于电容式触摸的应用正在日益流行起来，以导电铟锡氧化物 (ITO) 为基础构建的技术具有其固有的弱点(易碎、不易弯曲，并且形成图案的成本较高)，这样就促使着对替代材料的寻找，这类替代材料应具有较高的透光率、相似的电阻率且便于加工，而总应用成本却要低得多。在这些替代材料中，导电聚合物正在引起越来越多的关注。PEDOT 是 Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) 这一化学名称的首字母缩略词，作为一种极具潜力的材料，具有绝佳的电化学性质、热特性以及解决方案的加工特性，是电容式开关设计的理想选择。这种高分子混合物无色且溶于水，一般作为水中悬浮的凝胶颗粒的分散剂使用。在基板表面上丝网印刷一层这种分散剂，然后再通过加热干燥其中的水分，即可形成电导开关。PEDOT 分散剂可以作为涂层应用在一系列成型基板或柔性基板上，包括 PET、PC、PMMA、玻璃或者其他材料。

　　PEDOT 混合物具有良好的粘附力，以极高的化学稳定性、光透明性以及导电率而见长。采用这种化合物开发出了特别衍生的配方，可以满足背光电容式按键、滑块和滚轮输入之类光学应用高度严格的要求。该技术已部署到各类稳健的汽车应用当中，在塑料挡板后部使用。PEDOT 可用作背光触摸开关的导电墨水，以更低的成本实现低外形而又易用的接口。PEDOT 电路可以做到透明，具有极佳的柔性(易于弯曲)。不需要焊接工艺(因此可降低应用成本)，并且具有柔性电路特有的低外形。多功能的 PEDOT 应用还可为精密的触控面板提供定型的导电结构。

　　相对于传统的机械式和印刷电路板式电容开关来说，基于 PEDOT 的电容技术在家用电器和其他消费品应用中具有更多的优势。基于 PEDOT、完全合格的电容式解决方案与标准的 ITO 基板相比可节省可观的成本。对于背光电容式触摸按键来说，将易用的控制功能和图标整合到基于 PEDOT 开关的可能性几乎是无限的，这样就更有助于设计出更加智能、经济且美观的产品。

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第10期第25页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。