電容式感測技術實際就是關於電容值的測量，或者說兩個或多個電極間的電容變化。電容式感測通常用於接近或位置檢測，也可用於測量濕度、液位和加速度。在市場上，電容式感測應用涵蓋工業、汽車、醫療及消費性產品領域。隨著人機介面(HMI)的重要性愈發突顯，越來越多的電子產品採用觸控板和觸控螢幕實現這一功能，這也使得電容式感測的應用範圍繼續擴大。
用電容式觸控感測器取代機械開關的確有好處，但潛在的問題是，由於須持續地檢測感應器的輸入，因此將提高裝置電子電路的功耗，而低功耗的微控制器(MCU)可彌補這個問題，甚至當裝置處於超低功耗的深度睡眠模式時，仍可快速、可靠的檢測並回應感測器的輸入。
電容式感測涵蓋各式應用領域
電容式感測應用層面相當廣，以下將一一敘述。
以電容變化測量位置/位移
位置和位移能被當做兩個電極間的電容進行測量，電容值的改變與感測器和目標物的距離成反比。用於高階檢測儀器或控制系統的特定電容式感測器的測量精準度，能達到奈米級甚至更高。對於對精準度要求比較低，甚至只須進行簡單的去/不去(Go/Un Go)接近檢測應用，只須使用由較為簡單的電極和控制電路組成的電容器感測器。
加速度測量仰賴彈簧阻尼位移
加速度在位移感測中是一個變數。運作原理為感測器彈簧的阻尼品質產生位移從而引起檢測電容的變化，通過檢測電容的變化可間接計算出加速度。汽車安全氣囊、行動電話、遊戲控制器及圖像穩定的相機中的微機電系統(MEMS)加速度計(電容式微加速度計)就是基於這一原理。
液位/濕度測量透過介電常數變化
液位感測器可用來測量離散，如滿的或空的液位，以及連續的液位變化。從家用咖啡機到化工、製藥及食品加工領域都會採用電容式感測器。惟液位感測器工作原理和用於位置/位移測量的電容式感測器有所不同，其利用電解質液體K與真空中的體積C0的比值，即介電常數變化導致的電容改變，以間接測量液位的變化。
另一方面，由於濕度的變化會引起諸如聚合物等材料介電常數改變，而導致電容的變化，因此可透過電容的改變測量濕度。
觸控應用為電容感測大宗
電容式觸控感應可透過任何數量的導電材料實現，對於一個簡單的開關來說，可利用印刷電路板(PCB)上的銅墊就可實現。但若是觸控顯示器，則需要如氧化銦錫(ITO)的透明導電材料，開發商不僅可將ITO重疊在螢幕上，同時還可根據電極配置需要，蝕刻成一定的圖案，例如X-Y格圖案。
在確定觸控螢幕上的觸摸點時，將使用兩種技術，其一為較簡單的表面電容類，亦即在玻璃螢幕內部的導電層施加電壓形成一個靜電場，由手指觸控螢幕表面形成的自電容，可在螢幕的每個角進行測量，控制器再透過這些資料計算手指的位置。
投射式電容觸控螢幕的原理是透過蝕刻導電層提供柵格圖案電極，在兩層間使用垂直的平行線設置計算出各行和各列交叉處的互電容大小，進而確定觸摸點。投射式電容可提供更高解析度，並可實現多點觸控，以及拖帶的動作。
由於未和感測器直接接觸，投射式電容觸控螢幕可用於對解析度要求比較低的接近感應，以及須防水或其他污染物滲透的螢幕，甚至支援戴著手套的觸控情境。
無論是用於哪種應用，電容式感測器都只是一個輸入裝置，因而系統須能檢測到來自感測器的輸入，並能做出適當、即時的回應。特別是在閒置一段時間後，為了對輸入做出回應，系統可能須從睡眠狀態下喚醒。既然工程師設計讓系統處於睡眠狀態的目的是為節省功耗，特別是用電池供電的儀器，因此在檢測輸入的過程中保證不增加電流消耗就顯得非常重要。
採用低功耗MCU 電容式感測滿足環保與效能要求
市面上，EFM32微控制器加入的低功耗感測介面LESENSE，可使電容式感測系統在維持32位元微控制器的高效能同時，不會因處理輸入資訊而增加系統功耗。
事實上，對低功耗應用而言，8位元或16位元的微控制器看似可提供較低的運算功耗，但能耗=功率×時間，因此處理時間較長，即便功率很小，總耗電量依然會提高，而功能強大的32位元內核，如Cortex-M3，處理任務的時間通常只有16位元內核處理器的四分之一。
普通的微控制器須定期喚醒以檢測來自外部的事件(圖1)，但有多種功耗模式的現代微控制器，從最低功耗模式下喚醒需要很長的時間。另外，在喚醒的時間裡，系統消耗能量卻沒有作用，導致喚醒過程的功耗比系統處在運行狀態模式更高。
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| 圖1 普通微控制器喚醒CPU檢測感測器輸入時，將浪費電力。 |
感測器獨立作業 電容感測系統功耗再減低
如果感測器能獨立於微控制器，並自主工作將為感測應用系統帶來很大的優勢，甚至若工程師對感測器進行配置，使其能和其他外部元件一起工作，使微控制器只須在輸入特定條件時才會醒來，則將帶來更大的優勢。業者推出的微控制器透過LESENSE低功耗感測介面，以及外部元件反射系統(PRS)(圖2)的結合，使各外部元件可自主工作而毋須微控制器參與，進一步降低系統功耗。
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| 圖2 低功耗感測介面通過不同的喚醒條件的設定，降低電容式感測系統功耗。 |
低功耗感測介面包括類比比較器、數位類比轉換器(DAC)和一個32kHz時序產生器。時序產生器用來決定哪支接腳須連接到比較器，以及是否須用DAC提供更精確的比較器參考；比較器的輸出可計算並整合，因此微控制器可一直處在深度睡眠模式，直到輸入預先設定的條件時才被喚醒。另外，由於低功耗感測介面的感應結果可被外部元件反射系統接收，設計人員可研發更複雜的狀態機構，以監控外部的事件。
電容計數值決定是否喚醒MCU
事實上，測量電容變化通常比獲得精確的電容值更重要。透過簡單將觸控板連接到感應接腳，使得其電容構成RC振盪電路的一部分，進一步決定振盪頻率。此一訊號將通過類比比較器轉換成脈衝流，使低功耗感測介面可在每個上升沿增加一個計數器，並在達到預設的時間時將結果發送到緩衝器。舉例來說，觸控感測器增加的電容會獲得較低頻率，因此計數值也比較低，而只有當計數值小於設定的臨界值時，低功耗感測介面才須喚醒微控制器(圖3)。
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| 圖3 透過一個簡單的觸控開關進行電容式感測示例。 |
儘管在等待電容式感測器的輸入時最大限度降低系統功耗很重要，但是降低採樣頻率會導致回應速度變慢。由於低功耗感測介面能獨立於微控制器自主工作，因此可維持更高的取樣速率，以保證快速的回應速度。
值得注意的是，低功耗感測介面相當適用於電容式感測應用，該技術可使微控制器在檢測感測器輸入時，仍處於深度睡眠模式，且利用微控制器的低功耗外部元件和解碼器電路，低功耗感測介面能在喚醒微控制器前對條件組合進行評估，讓設計人員可實現兼具高效能與低功耗的電容式感測應用系統。
(本文作者任職於Energy Micro)