Qvar 靜電傳感器的原理與應用解說,以ST ILPS22QS為例

Qvar 是 STMicroelectronics 的一款靜電傳感器,可用於人體存在檢測和運動檢測、觸摸檢測和用戶界面 (UI) 應用程式。
有關 Qvar 感應,當您走過塑料地板然後觸摸金屬門把手時,您會感到輕微的電擊。有時當你脫下你的羊毛衫,你可能也經歷微小的電火花。孩子們經常在他們身上擦一個氣球衣服讓它粘住。我們可以從這些常見的現像中得出結論,靜電或電荷起源於來自兩個不同物體之間的摩擦。

事實上,兩個物體之間通過摩擦產生的任何密切的物理接觸都會產生靜電。有時兩個不同物體之間的緊密接觸,然後在沒有物理摩擦的情況下分離也可以使兩個物體都帶上靜電。所有材料都由原子組成,每個原子都有一個正電荷,周圍有許多電子。

什麼時候兩種不同的材料以緊密的物理接觸(例如摩擦)結合在一起,其中一種材料可能會吸引電子比另一種多,所以一些電子會從一種材料被拉到另一種材料上。當材料被分離時,其中之一它們獲得了更多的電子(帶負電),而另一個失去了一些(帶正電),具體取決於每種材料的工作功能。這種現象通常被稱為摩擦電或摩擦電效應。

由於摩擦起電現象廣泛存在於我們的日常生活中,靜電傳感器可以用於檢測或感知各種人類活動、機械系統或工業過程。靜電傳感器與其他傳感器相比具有明顯的優勢,包括成本效益和高靈敏度。

靜電傳感器是基於靜電感應或通過電荷轉移的傳感原理
當傳感器通過靜電感應工作時,傳感原理可以用等效電容傳感器來解釋。這是因為充電物體可以建模為電容器的一個極板,而電極本身可以建模為另一個極板。這帶電物體相對於電極的運動改變了兩塊板之間的距離電容的值。物體上的電荷量可能會隨時間而變化。

Qvar 代表電荷 (= Q) 變化 (= var)。它是一種能夠測量的電位感應通道靜電電位發生變化,可實現以下應用:

  • 接觸和非接觸人體運動檢測和人體運動步態分析;
  • 人體存在檢測;
  • 用戶界面(UI);
  • 水檢測。

讓我們以人體運動為例。當一個人走路、邁步、跳躍,或者更一般地說,互動時在環境中,這些作用會產生靜電,並且電位 (U) 為在人體本身帶電。這種靜態電位變化在幾毫秒內結束,因為人體電容耦合到地面通過空氣(Cx)或鞋底(Cs)和地板(CF)。我們在下圖中描繪了一個站立的男人和另一個走路的男人,並用術語標記為下文介紹的電位和電荷。

                                                                      站立 vs 步行



• UBML = 靜止的人體電位
• QBML = 靜止的人體電荷
•dUBS   =  人體踏步電位
• dQBS  = 人體踏步電荷

關注人體靜止的情況,我們可以考慮人體的電容耦合根據下圖表示的模型,它本身與環境。

                                                   人體模型

由於人為踏步導致的 UBS(人的變化量)隨時間的變化計算為:

x = 腳到地板的距離
S = 與腳接觸的實際地板表面
εa = 鞋底與地板之間隙的介電常數
有兩個重要的術語值得解釋。
第一項是 dS/dt。 該術語表示由於唯一的電位變化運動,其中 S 是腳接觸地面的實際表面。
第二項與 dx/dt 成比例。 該項表示對電位變化到 x 變化,其中 x 表示地面和腳之間的距離。
一步是兩個相反方向的運動的組合。 增加一項對應於另一個的減少。
下圖為身體有電極(無皮膚)連續行走的Qvar感應信號接觸)。

                                                                                          室內外行走時的Qvar信號

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