為AR眼鏡等多種智能可穿戴設備添加穿戴狀態檢測功能
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隨著AR/VR眼鏡、頭戴式耳機和入耳式耳塞、智能手表和健身手環等可穿戴電子產品受到越來越多消費者的歡迎，如何設計外形更加時尚迷人、功能更加先進宜人的穿戴產品成為了創新和創意的焦點。作為全球領先的多傳感器解決方案提供商，Azoteq將在本文中介紹穿戴狀態檢測這一重要功能的設計要點。
“穿戴狀態檢測”是一個術語，用于在各種條件下保持較長時間的近距離接近、觸摸或穿戴狀態觸發器。Azoteq的工程團隊在本文中以不同穿戴設備為例，詳細講解了如何為這些新穎的設備增加穿戴狀態檢測功能。
1、穿戴狀態檢測的定義
檢測長時間使用的可穿戴設備的穿戴狀態（穿戴/“戴上”），以及在終止使用或將設備從人身上移走時檢測是否成功釋放。
2、穿戴狀態檢測的設計
圖2.1 傳感器系統設計課題
2.1 穿戴狀態檢測的電容值
典型的“穿戴狀態檢測”應用需要區分電容測量值中非常小的差異，它因傳感器尺寸和觸摸與接近喚醒的特性影響而產生。
下表列出了一些已知的穿戴狀態案例和與之相關的電容值。
表2.1 不同穿戴狀態檢測應用的典型傳感器尺寸和電容變化值
2.2 電容閾值vs系統總電容
由于在穿戴狀態檢測應用中觀察到的電容信號變化很小，因此通常要求系統設計具有更小的閾值。這些閾值對于傳感器的總負載來說是微不足道的，環境變化都可以帶來類似的或者甚至更大比例的電容信號，這對穿戴狀態檢測信號完整性構成了很高的風險。
表2.2 不同穿戴狀態檢測應用的典型傳感器尺寸和電容變化值
圖2.2 典型的實驗室測試情況
3、傳感器盤（pad）設計
3.1 面積和地線基準
傳感器的面積和對系統地電位的參考值將直接影響一個穿戴狀態檢測傳感器的自電容（selfcapacitance）靈敏度，這一可檢測的范圍通常被稱為接近靈敏度。工程師應評估傳感器與地的關系，并確保電極能產生合理的電場分布，這些電場能夠按要求在正確的面積或距離上有對應的敏感度。
接近傳感器的最小推薦電極導體面積尺寸為：100mm2
圖3.1 平行板案例的接近靈敏度與寄生負載的權衡
3.2 電池上的感應盤
> 感應盤通常直接被放置在電池上
> 性能通常比預期的要好，如下所述
圖3.2 鋰離子電池的側面輪廓顯示外殼材料和其他不導電層
> 電池的“殼”（外殼上的材料）通常是由非導電材料和導電材料組合而成
圖3.3 電池側廓圖顯示了其中的非導電層和導電層（鋁阻擋層）
> “鋁阻擋層”是一種漂浮不定的金屬層，其電容耦合到感應盤和電池接地中
圖3.4 電池殼對傳感器電容的影響
> 在這種情況下，電池殼本身也是傳感器的一部分，由傳感器IC間接充電和放電
> 如果CBAT或CGND在使用或跌落測試過程中發生變化，將影響穿戴狀態檢測的性能
3.3、屏蔽
根據圖3.4，建議在感應盤和電池之間放置一個粗帽型網格化接地（hatched GND）屏蔽罩來最小化CBAT。
設計指南：
1.根據下一節提供的示例，評估所需的感應盤總面積（單位為mm2）。請注意，網格地（hatched pour）將縮短接近距離，這基于寄生負載的數量——請將其保持到最小值，以獲得最佳靈敏度。
2.在相對的另一層鋪網格地，并連接到IQS傳感器相同的GND地線上。
3.根據制造商的生產工藝最小限制，使用最細的走線寬度，大多數柔性印制板（FPC）工藝的連線寬度通常為0.15mm。
4.使用公式：
5.調整網格大小參數，以得到所需的網格線寬在實際接地部分（GND）所占的百分比。
圖3.1 用典型的PCB設計工具，在已定義的感測區域上設置一個網格化的接地覆銅屏蔽
6.評估感應盤的形狀，以使用適當的網格組模式（45°/ 90°/水平/垂直），這取決于哪種模式最能均勻地覆蓋整個區域的感應盤。
7.在大約100mm2感應盤上，根據下列網格邊緣所占百分比，應該提供可被接受的結果：
a.接地網格占比為7%——最大屏蔽，最高寄生負載
b.接地網格占比為5%——中等屏蔽，中等寄生負載
c.接地網格占比為3%——最小屏蔽，最小寄生負載
圖3.2 從上到下：a.接地網格屏蔽為7%；b.接地網格屏蔽為5%；c.接地網格屏蔽為3%
8.將接地網格的占比降到最小值，即使在跌落測試和其它電池運動誘發的使用/測試案例中，仍然可以成功地屏蔽傳感器而不會誤觸發。
9.評估傳感器信號在溫度和長期激活情況下的穩定性。
3.4 傳感器盤大小與接近檢測距離的對比
圖3.5 用于調整接近觸發器距離測量的測試設置（類似于穿戴設備應用場景）
表3.1 測試用例檢測傳感盤的大小和布局，并獲得最終的接近距離數據
3.5 放置位置和覆蓋范圍
> 在健身手環的案例中：兩個獨立的電極為不同的使用者在佩戴這種設備時，提供了更大的覆蓋不同體型和松緊度的范圍。
圖3.6 在采用雙傳感盤的典型健身手環中放置傳感器的示例
以健身手環為例，由于FPC/PCB上用于穿戴狀態檢測的空間有限，健身手環可以通過將傳感器設計打印到塑料機身上而顯著受益。這解決了覆蓋問題，同時也是最穩定的傳感器材料選擇。選擇這種工藝還可以將藍牙和NFC天線集成到塑料外殼中。
圖3.7 在塑料件上放置天線圖案的示例
3.6 材料
電容式傳感器的電路和基底材料特性會有很大的不同。電容式傳感器導體和PCB/FPC基底類型包括銅帶、塑料上的印刷油墨、傳統的FR4、FPC變體和簡單的絕緣線。以下是電容式傳感器使用材料的常用示例清單。
表3.2 典型的基底材料和用作各種傳感器導體的載體適用性
3.7 溫度
長時間穿戴狀態檢測下，傳遞到諸如智能手表、健身追蹤器等可穿戴設備和長時間保持身體密切接觸的耳機上的身體熱量會影響電容式傳感器測量值。
> 與人的皮膚、耳朵或頭部直接/間接接觸的電極首先會被加熱，比系統設計中的其他部分更重要。
> 傳遞給傳感器IC和感測電極的差分變化值不能僅用內部補償方法來解釋，還需要外部參考信道。
> 基底材料的熱力學特性起著重要的作用，其影響在薄型FPC設計中最為顯著。
有關此主題的詳細討論，請參閱下一節。
3.8 防水能力
大多數可穿戴設備都具有復雜的機械設計，提供了可以密閉包裹電子部件的外殼，以實現防止或者阻擋水侵。
圖3.8 存在保水性風險的超聲焊接
> 模具注塑外殼的連接處有可能存在接縫、縫隙、空腔和連接點，因而仍然可能保留外殼外的水分。如果這種水分位于或者在電容傳感器附近或頂部被采集到，它將顯著影響電容傳感器的數值和性能。這可能導致不正確的穿戴狀態檢測結果。
> 由于濕度、冷凝和蒸發引起的環境條件變化有時會導致不準確的穿戴狀態檢測/讀出狀態。建議在早期設計階段進行測試，以確定問題區域。
3.9 水分
如果一款設計非常容易受到濕度變化的影響，或者對于一般針對不防水的設備，請參閱下一節討論基底材料和吸濕影響。
例如，在耳罩中帶有感應盤的頭戴式耳機會增加受潮風險。在佩戴過程中，水分增加和水分保留通常會導致從頭部移除耳機時，出現釋放檢測失敗或顯著延遲釋放。
通過在對水分敏感區域的背面使用對水分不敏感的材料，如塑料印刷傳感盤（LDS），即可避免這些影響。
4、連接設計
4.1 長度和面積
當傳感器線路需要從芯片（IC）布線走到預期的傳感盤/區域時，就需要適當的連接設計。請注意以下事項：
圖4.1 傳感線路走線較長會使設計復雜化并限制性能，而走線較短則會簡化設計并優化性能
> 更長的走線更容易受到各種形式的干擾。
> 由于溫度和濕度的變化，更容易給面積更大的方案帶來顯著的電容值變化。
> 小心堆疊區域/多層PCB及薄FPC等分層區域。
> 當參考其他導體/電位時，機械干擾就會改變信號。
4.2 地面效果和材料選擇
諸如傳感器走線/線路等連接設計會對傳感器中的寄生電容產生很大影響。
兩個或更多個導體之間的基板具有比同一層或單層PCB中的導體更大的寄生電容（Cp），上面有其他材料層，或如阻焊膜、塑料外殼等接觸。
表4.1 單層與相互重疊的多層走線——平面耦合
用第一性原理來確定平行板電容器模擬值（Cx - GND）：
圖4.2 平行板電容器參數
> εr：相對介電常數（無單位）
> ε0：空氣介電常數= 8.854 × 10-12 F/m
> A：極板面積（m2）
> d：極板間分隔距離（m）
表4.2 以1mm2面積的雙面平行板為例，觀察到的常用印刷電路基底材料及其寄生電容貢獻的典型范圍
4.3 干擾因素
表4.3 平行共面與正交非共面走線交叉與耦合
4.4 吸濕性
當基板吸收了水分以后，就增加了材料的介電常數（εr），這轉化為任何平行導電傳感器板的寄生電容（Cp）的增加。
裸露的、未涂覆的層壓板與涂有阻焊膜的板相比，具有更高的吸濕率。
表4.4 常用PCB/FPC襯底的典型吸水率
根據經驗，當PCB沒有被封裝在外殼中，而耳罩將用戶的耳朵包裹起來時，濕氣會對耳罩式耳機產生影響，并將微濕/潮濕的空氣與體溫升高相結合。
然而，濕度的存在仍然會影響電容式傳感器的測量，即使使用適當的基底材料和具有低吸濕特性的外殼。對于相對濕度含量的變化，用戶與傳感器板之間的空隙的外部變化仍然可以動態變化。下圖顯示了一個例子，說明濕度會產生多么劇烈的影響。
圖4.3 基于VOPcPho的Al/VOPcPho/Au電容式傳感器的電容與相對濕度的關系[p
5、用相應的芯片來實現設計
5.1 選擇器件
根據所需和提供的通道數量，來決定具體的IQS器件。
為實現穿戴狀態檢測功能，現在推薦以下器件：
> IQS620A——2個CX引腳（僅有自電容）；3個軟件通道
> IQS269A——8個CX引腳（自容&互容）；8個靈活的軟件通道
> IQS626A——8個CX引腳（自容&互容）；3個靈活的軟件通道
推薦：預留2個通道（兩個單獨的傳感器CX引腳）來用于穿戴狀態檢測。參見下面的“參考通道”實現。
5.2 最優化的設置
盡管最新的IQS傳感器（如上推薦）擁有各種軟配置選項來調整傳感器的性能，但在選擇設置以微調性能之前，首先還是要成功進行適當的硬件設計（根據上述指南），這仍然是至關重要的。
針對穿戴狀態檢測，現推薦傳感器設置如下：
> 建議使用慢速充電轉移頻率（500kHz或更低）。
> 基準值>= 100個，目標值±1000個。
硬件優化對于量產的成功至關重要。建議在試生產和量產期間驗證傳感器的參數（乘法器和補償），以限制性能的分布范圍，并識別和隔離制造故障或設計缺陷。
5.3 參考通道——內部和外部器件參考（基于IC和布局）
圖5.1 圖示主通道和參考通道的走線方式，以得到類似的布線寄生電容
使用“感應”和“參考”通道的優點：
> 提供最佳的穿戴狀態檢測性能
> 在可穿戴產品多元化的運行環境中優化傳感器的完整性
> 同時涵蓋IC、PCB和FPC的環境變化
圖5.2 圖示是芯片和感應電極相隔距離遠的例子，需要“參考跟隨通道”來保證長時間后仍能精確觸發
表5.1 傳感和參考通道組合的典型案例
1 長期平均值（Long term average，LTA）是實際傳感信號經過濾波后的平均值。
2 “LTA凍結”意味著當LTA被用作接近/觸摸閾值的參考時，它不會被主動更新。通常，當達到接近閾值的時候，LTA將凍結。
5.4 參考通道——內部器件參考（僅基于IC）
當需要一個更簡單和性價比更高的選擇時：
> 還有一些不錯的選擇，如IQS620A和IQS624等器件
> 它們只有2個CX傳感器，沒有片上參考通道UI執行
> 這些可用于穿戴狀態檢測通過特殊的設計
在這些情況下，建議采取以下措施：
> 使用一個通道作為主傳感器，另一個通道來作為參考通道（需要適當的布線和電容負載）
> 需要主機/主MCU去檢索和處理電容測量數據，以確保能夠檢測出和補償環境的變化
> 如果兩個通道都用于傳感器應用，如觸摸界面和穿戴狀態檢測
> 可以啟用內部溫度轉換通道
> 這是用于跟蹤芯片本身所承載的任何溫度變化
> 在這種情況下，傳感器電極和芯片所受到的影響應該是相同的，并且與成功的參考調整（如有必要）密切相關。
不建議將上面提到的（基于內部溫度的參考方法）來作為故障安全解決方案，因為一些設計更容易受到復雜的、動態的外部變化的影響，而這些變化IQS芯片無法準確的識別。
6、推薦的設計流程
按照以下步驟正確地進行原型設計，即可為穿戴狀態檢測應用設計和評估傳感器性能：
1. 將IQS芯片放置在盡可能靠近傳感器電極的位置（使寄生電容負載最小，減少走線暴露在噪聲/環境變化中）
2.確定好可用的空間（即電極感應區域）和合適的材料來作為支架和蓋板。
3.請根據本文檔所討論的結果來選擇材料和感應盤尺寸。
4.在確定機械結構之前，反復打磨原型設計使其盡可能地接近預期的產品設計。
a.使用Azoteq提供的工具對具體的設計和傳感器操作環境進行調試（如評估相對計數（delta）變化、測量絕對電容變化、評估電池供電引起的信號減弱的影響）。
b.在設計初期要進行環境變化測試，包括溫度、濕度和機械運動等。
c.在使用參考通道時，需要反復測試以確保獲得適當的參考跟蹤/阻塞數據。
5.根據原型結果和優化措施來確定材料和感應盤尺寸。
6.通過長時間在不同環境（熱、冷、出汗、水等）中的類似/重復測試和實際用戶穿戴狀態測試，確認最終設計符合原型測試結果。
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