为AR眼镜等多种智能可穿戴设备添加穿戴状态检测功能（上）
来源：Azoteq
发布时间：2025-06-24
阅读量：1
随着AR/VR眼镜、头戴式耳机和入耳式耳塞、智能手表和健身手环等可穿戴电子产品受到越来越多消费者的欢迎，如何设计外形更加时尚迷人、功能更加先进宜人的穿戴产品成为了创新和创意的焦点。作为全球领先的多传感器解决方案提供商，Azoteq将在本文中介绍穿戴状态检测这一重要功能的设计要点。
“穿戴状态检测”是一个术语，用于在各种条件下保持较长时间的近距离接近、触摸或穿戴状态触发器。Azoteq的工程团队在本文中以不同穿戴设备为例，详细讲解了如何为这些新颖的设备增加穿戴状态检测功能，因篇幅较长，所以本文将分为上中下三个部分在近期全部发出，本篇为该文章的上篇。
检测长时间使用的可穿戴设备的穿戴状态（穿戴/“戴上”）状态，以及在终止使用或将设备从人身上移走时检测是否成功释放。
图2.1：传感器系统设计课题
2.1 穿戴状态检测的电容值
典型的“穿戴状态检测”应用需要区分电容测量值中非常小的差异，它因传感器尺寸和触摸和接近唤醒的特性影响而产生。
下表列出了一些已知的穿戴状态案例和与之相关的电容量。
表2.1：不同穿戴状态检测应用的典型传感器尺寸和电容变化值
2.2电容阈值vs系统总电容
由于在穿戴状态检测应用中观察到的电容信号变化很小，因此通常要求系统设计具有更小的阈值。这些阈值对于传感器的总负载来说是微不足道的，环境变化都可以带来类似的或者甚至更大比例的电容信号，这对穿戴状态检测信号完整性构成了很高的风险。
表2.2：不同穿戴状态检测应用的典型传感器尺寸和电容变化值
Application：应用
图2.2：典型的实验室测试情况
图2.3：典型的使用场景测试——可能很容易在加热/冷却条件下显示250fF
3.1 面积和地线基准
传感器的面积和对系统地电位的参考值将直接影响一个穿戴状态检测传感器的自电容（selfcapacitance）灵敏度，这一可检测的范围通常被称为接近灵敏度。工程师应评估传感器与地的关系，并确保电极能产生合理的电场分布，这些电场能够按要求在正确的面积或距离上有对应的敏感度。
接近传感器的最小推荐电极导体面积尺寸为：100mm²
Case：案例
Picture：图例
Description：描述
Maximize distance between GND reference and sensing pad.
接地基准和感应盘之间的最大距离。
Keep capacitance load low in sensing area
在感应区保持低电容负载
Keep parasitic capacitance minimum, especially in the sensing area
将寄生电容保持到最小，特别是在感应区域
Avoid moving parts that may change the parasitic capacitance
避免移动可能改变寄生电容的部件
Performance is limited when sensing through an air gap
当通过空隙感应时，性能受到限制
Performance is optimized when closing the air gap
关闭空隙时，性能得到优化。
Performance is optimized when “extending” the sensing away from the main PCB (away from GND reference)
当“扩展”传感功能远离主PCB（远离GND基准）时，性能是最优化的。
User：用户
Electrode：电极
PCB：印刷电路板
Device outer cover：设备外盖
Battery / metal frame /：电池/金属框架
PCB GND：PCB接地
Pro sensitivity：接近灵敏度
图3.1：平行板案例的接近灵敏度与寄生负载的权衡
3.2电池上的感应盘
>感应盘通常直接被放置在电池上
>性能通常比预期的要好，如下所述
Cu anode collector layer：铜负极集电极层
图3.2：锂离子电池的侧面轮廓显示外壳材料和其他不导电层
>电池的“壳”（外壳上的材料）通常是由非导电材料和导电材料组合而成
图3.3：电池侧廓图显示了其中的非导电层和导电层（铝阻挡层）
>“铝阻挡层”是一种漂浮不定的金属层，其电容耦合到感应盘和电池接地中
图3.4：电池壳对传感器电容的影响
>在这种情况下，电池壳本身也是传感器的一部分，由传感器IC间接充电和放电
>如果CBAT或CGND在使用或落地测试过程中发生变化，将影响穿戴状态检测的性能
3.3、屏蔽
根据图3.4，建议在感应盘和电池之间放置一个粗帽型网格化接地（hatched GND）屏蔽罩来最小化CBAT。
设计指南：
1.根据下一节提供的示例，评估所需的感应盘总面积（单位为mm²）。请注意，网格地将缩短接近距离，基于寄生负载的数量——请将其保持到最小值，以获得最佳灵敏度。
2.在相对的另一层铺网格地（hatched pour），并连接到IQS传感器相同的地上。
3.根据制造商的生产工艺最小限制，使用最细的走线宽度，大多数柔性印制板（FPC）工艺的连线宽度通常为0.15mm。
4.使用公式：
5.调整网格大小参数，以得到所需的网格边缘实际接地部分（GND）所占的百分比。
图3.1：用典型的PCB设计工具，在已定义的感测区域上设置一个网格化的接地覆铜屏蔽
6.评估感应盘的形状，以使用适当的网格组模式（45°/ 90°/水平/垂直），这取决于哪种模式最能均匀地覆盖整个区域的感应盘。
7.在大约100mm²感应盘上，根据下列网格边缘所占百分比，应该提供可被接受的结果：
a.网格化GND占比为7%——最大屏蔽，最高寄生负载
b.网格化GND占比为5%——中等屏蔽，中等寄生负载
c.网格化GND占比为3%——最小屏蔽，最小寄生负载
图3.2：从上到下：a. 网格化GND屏蔽为7%；b. 网格化GND屏蔽为5%；c. 网格化GND屏蔽为3%
8.将网格化GND的占比降到最小值，即使在跌落测试和其它电池运动诱发的使用/测试案例中，仍然可以成功地屏蔽传感器而不会误触发。
9.评估传感器信号在温度和长期激活情况下的稳定性。
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