ST靜電傳感器Qvar

簡介
Qvar 是意法半導體推出的一款靜電傳感器，適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。本應用筆記涵蓋 Qvar 感應通道的配置和操作指南。在塑料地板上行走然後觸摸金屬門把手時，人體通常會感知到輕微的觸電感。脫下羊毛衫時，可能會產生微小的電火花。在衣服上反覆摩擦氣球，可以將它粘住。這些日常生活中的種種跡象表明：物體之間的摩擦可以產生靜電或電荷。事實上，發生摩擦接觸的物體之間都會產生靜電。有時，接觸的物體之間即便沒有發生摩擦，兩者分開後也會產生靜電。

世間萬物都是由原子構成的，每個原子都有一個帶正電的原子核，原子核被大量電子包圍。當兩種不同的材料密切接觸（如摩擦）時，其中一種材料吸引電子的能力可能更強，導致部分電子被拉拽到該材料中。當這兩種材料分開時，其中一種材料可獲得更多的電子（帶負電），而另一種材料將失去一些電子（帶正電），具體情況取決於二者的功函數。這種現象通常被稱為摩擦起電 (triboelectricity) 或摩擦起電效應 (triboelectric effect)，“tribo”表示摩擦。日常生活中摩擦起電現象非常普遍，因此靜電傳感器可用於檢測或感知各種人類活動、機械系統或工業過程。

目前流行的傳感器普遍採用聲學、電阻、電容、壓電、光學和電磁感應技術，而靜電傳感器尚未獲得廣泛應用。相對於其他類型的傳感器而言，靜電傳感器具有高性價比和高靈敏度等優勢。

靜電荷感應原理
材料之間發生接觸或者材料與固體表面或液體表面接觸，均會在材料上產生靜電荷。可以通過電極和電子信號調節電路檢測到電荷的存在，但是具體的電荷量通常不易測得。帶電粒子轉移會導致電場波動，進而在電子電路中產生信號。如果電極嵌入絕緣體中或者電極與帶電粒子之間沒有直接接觸，則感應過程是通過靜電感應實現的。如果電極暴露於電荷中，則由於電極與帶電粒子之間發生物理接觸而導致電荷轉移。

如果使用暴露於電荷中的電極，將同時發生靜電感應和電荷轉移，但通常以前者為主。如果經絕緣處理的電極連接到具有輸入電阻 Ri 的信號調節電路，則後者可以測量電子流並產生可測量的輸出。靜電傳感器基於靜電感應或電荷轉移的感應原理，與電磁效應之間沒有任何關聯。靜電感應傳感器與電容傳感器的感應原理相似。這是因為帶電物體可以視為電容器的一個極板，而電極本身可以視為另一個極板。帶電物體與電極之間的相對運動將改變兩個極板之間的距離，從而改變電容值。同理，帶電物體上的電荷量可能會隨時間發生變化，因此極板之間的電壓也會變化。

Qvar 代表電荷 (= Q) 變化 (= var)。它是一種能夠測量准靜電電位變化的電位感應通道，適用於以下應用：
• 接觸式和非接觸式人體運動檢測與人體運動步態分析
• 人體存在檢測
• 用戶界面 (UI)
• 漏水檢測

下文以人體運動為例進行介紹。行走、跑跳等人類日常行為會產生靜電，因此人體本身自帶電位 (U)。這種靜態電位變化在幾毫秒內消失，因為人體通過空氣 (Cx) 或鞋底 (Cs) 和地板 (CF) 與大地之間存在耦合電容。下圖顯示了一個站立的人和一個行走的人，分別標有相應的電位和電荷術語，圖片下方包含這些術語的解釋。

由於人體行走而隨時間發生變化的 UBS（人體電位）使用如下模型進行計算：

其中：
x = 腳與地板之間的距離
S = 腳與地板的實際接觸面積
εa = 鞋底與地板之間氣隙的介電常數
請注意，這裡出現兩個重要術語。
第一個術語是 dS/dt。該術語表示鞋底運動與電位變化的關係，其中 S 是腳與地面之間的實際接觸面積。
第二個術語是 dx/dt 分數表示。該術語表示 x 變化與電位變化的關係，其中 x 是腳與地面之間的距離。
人體行走時，上述 2 個因素的變化成反比。腳與地面之間的實際接觸面積增加時，腳與地面之間的距離就會減少，反之亦然。

下圖顯示了人體佩戴電極（不接觸皮膚）的情況下連續行走時的 Qvar 感應信號。

具體而言，Qvar 感應通道可以檢測到該電極上感應到的差分電位變化。
電極有以下三种放置方法：
1. 放在人體上但不接觸皮膚
2. 放在人體上且接觸皮膚
3. 不放在人體上
前兩種稱為 Qvar 貼身功能，第三種稱為 Qvar 雷達功能。對於 UI 和漏水檢測應用，最好選擇專用電極。

Qvar 感應通道架構
下圖顯示了器件（包含外部電極）的高層框圖。