電容傳感技術使智能家電更智能

Greg+Kuchuris

摘要：本文介紹了電容傳感器技術在智能家電中的應用，以及基于PEDOT的電容技術方案及其應用。

關鍵詞：電容傳感器；智能家電；PEDOT

DOI：10.3969幾issn.1005-5517.2017.9.005

在這個智能連接的時代，即使是家用電器也在積極地參與其中。電子解決方案和設計策略的范·疇不斷拓展，協助制造廠商開拓創新，推出各種精巧的智能家電。下一代電容技術可以帶來更高的自由度，以經濟節省的方式來整合起各種增強功能，提高家用電器的功能性和娛樂性，滿足當下社會以技術為中心的家庭消費者的需求。

固態電容液位傳感技術

液位傳感對于一系列現代化的家用電器來說是一種核心技術。浸沒式機械系統在傳統上一直服務于這一領域，用于制冰機、洗碗機、洗衣機、水過濾系統及飲料售賣機等。這類系統中使用的傳感器、浮子和開關都浸沒在液體當中，這會造成過度的磨損、腐蝕，甚至是交叉污染。傳統的機械流體傳感系統存在局限，使用標準的圓柱形或矩形的儲罐才能得到一致的測量結果。長時間不斷地與流體接觸會使機械精度降低，并且縮短傳感器的壽命。

對于尋求更好的設計策略的家用電器制造商來說，現在可以使用電容式液位傳感器來應對這些挑戰。電容式傳感器可以保證精準的液位測量結果，同時提高精度，并降低設置成本，采用了定制的端對端解決方案，校準軟件安裝簡便。這一技術提高了設計的靈活性，與傳統的機械式系統相比，電器的操作也更加耐久、效率更高。電容式液位傳感器采用了與智能手機屏幕相同的基本概念，對手指的觸摸做出響應的傳感器，可以方便地安裝在容器的外部，通過幾乎任何非金屬材料都可對流體或顆粒材料進行測量。可以采用定制的設計，并且針對從自動飲料出售機到洗碗機在內的一系列家用電器應用進行優化。電容式液位傳感器采用了固態設計，不合任何運動的部件，無需浸沒在儲罐內，因此，產品壽命更長，而測量結果也更加精確。

傳統的印刷電路板可以用于安裝在平面安裝儲罐上的電容式液位傳感器，而超薄的聚酯或聚酰亞胺柔性電路則更適用于罐體表面彎曲或者空間受限的應用。采用柔性電路后，設計人員可以選擇使用非傳統形狀的儲罐來優化可用空間。電容式液位解決方案一般包含優化的嵌入式軟件，在配置后可以自動校準，方便安裝，或者采用手動校準來達到高精度。可以將一臺獨立的電容式液位傳感器作為點傳感器來提示在液罐中的給定液位位置是否存在流體。或者，在高低液位處同時使用兩臺傳感器可以觸發補充液位，在達到所需的液位后再關閉液流，從而對儲液器中的流體進行調節。

電容式液位傳感器的輸出接口可包含USB、12C或離散信號，具體則與應用有關。在結合了微處理器使用后，傳感器可以無線方式將信號數據發送到控制單元。隨著越來越多的家用電器與家用系統都在通過物聯網（IoT）連接到用戶的設備，從而簡化維護功能，電容式液位傳感器提供了一種使能的技術，可以提醒更換過濾器或添加液體，并且增強了為家務安排時間之類的功能，還可以直接連接到制造商處，詢問有關維護的問題并且進行軟件更新。

高效的電容式用戶界面

高品質的功能與設計可產生良好的第一印象。在家電設計中，電容式觸摸屏現在的發展速度已經超過了配有雜亂的按鈕和開關的機械界面以及電阻式觸摸功能。這是由于電容式技術在整體上具有更高的可靠性，提供更加直觀的用戶界面。從品牌塑造的觀點來說，許多制造商現在正在轉向電容式觸摸屏，因為觸摸屏的設計更加具有吸引力、博人眼球，為消費者提供一種 “貨真價實”的感覺。定制的電容式觸摸屏可以整合并結合多種開關形式與布局，包括離散開關、滑動開關、滾輪等，還可以結合起觸摸式及非觸摸式的產品。

環境因素對于設計、材料的選擇以及制作來說也是重要的考慮事項。盡管大多數家庭中的環境都相對穩定，電器往往會受到每天溫濕度變化的影響，此外還有頻繁的使用，以及消費者不經意的錯誤使用，都會造成影響。選用印刷電路板、聚酰亞胺，還是聚酯基板將取決于具體應用。其中每一種選擇都將帶來獨一無二的設計上的挑戰、制造成本，以及在電容接口上的操作限制。

基于電容式觸摸的應用正在日益流行起來，以導電銦錫氧化物（ITO）為基礎構建的技術具有其固有的弱點（易碎、不易彎曲，并且形成圖案的成本較高），這樣就促使著對替代材料的尋找，這類替代材料應具有較高的透光率、相似的電阻率且便于加工，而總應用成本卻要低得多。在這些替代材料中，導電聚合物正在引起越來越多的關注。PEDOT是Poly（3，4-ethyle ned ioxythiophe ne）這一化學名稱的首字母縮略詞，作為一種極具潛力的材料，具有絕佳的電化學性質、熱特性以及解決方案的加工特性，是電容式開關設計的理想選擇。這種高分子混合物無色且溶于水，一般作為水中懸浮的凝膠顆粒的分散劑使用。在基板表面上絲網印刷一層這種分散劑，然后再通過加熱干燥其中的水分，即可形成電導開關。PEDOT分散劑可以作為涂層應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，以極高的化學穩定性、光透明性以及導電率而見長。采用這種化合物開發出了特別衍生的配方，可以滿足背光電容式按鍵、滑塊和滾輪輸入之類光學應用高度嚴格的要求。該技術已部署到各類穩健的汽車應用當中，在塑料擋板后部使用。PEDOT可用作背光觸摸開關的導電墨水，以更低的成本實現低外形而又易用的接口。PEDOT電路可以做到透明，具有極佳的柔性（易于彎曲）。不需要焊接工藝（因此可降低應用成本），并且具有柔性電路特有的低外形。多功能的PEDOT應用還可為精密的觸控面板提供定型的導電結構。

相對于傳統的機械式和印刷電路板式電容開關來說，基于PEDOT的電容技術在家用電器和其他消費品應用中具有更多的優勢。基于PEDOT、完全合格的電容式解決方案與標準的ITO基板相比可節省可觀的成本。對于背光電容式觸摸按鍵來說，將易用的控制功能和圖標整合到基于PEDOT開關的可能性幾乎是無限的，這樣就更有助于設計出更加智能、經濟且美觀的產品。endprint