光傳感器在手持設備中擺放位置的幾點考慮

Tamara Schmitz

摘要：本文主要介紹了在手持設備設計中，確定光傳感器擺放位置時需要考慮的幾個重要因素。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/164399.htm

關鍵詞：光傳感器；位置；手持設備；Intersil

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.020

傳感器傳統解決方案是放在FPCB上（圖1）。通常，IR LED（紅外LED）和傳感器（包括環境光傳感器和接近傳感器）布置在柔性板（或稱FPCB）上。采用了FPCB，傳感器可以和機器面板靠得比較近，與面板玻璃底面之間只有0毫米至0.2毫米的間隙。FPCB及其主電路板連接器的成本約為20～30美分。而從在1美分成本就能進行的漫長談判來看，可以想象省掉FPCB連接把傳感器直接放在主板上的誘惑有多大。

如果IR LED和傳感器放在主電路板上，則間隙（距面板玻璃底面的距離）可能在0.5毫米至2.0至6.0毫米或更大范圍內變化。該距離越大，傳感器正常工作的挑戰就越大（圖2）。

光線監測角度

環境光傳感器或接近傳感器的性能之一是其光線監測角度，如圖1和圖2所示。請注意當傳感器放在主電路板上時光感離面板玻璃下方較遠時光線監測角度是如何減小的。該距離越大，光線監測角度的減小就越多。

在環境光感測情形中，環境光是通過非常有限的透光孔照射到傳感器上的。（系統設計中另一個可選方案是增加一個導光柱，但這會增加成本，因此通常不會被采用。）在接近感測情形中，只需要在有限的角度感應到物體的靠近。所以應用的不同所希望的監測角度設計是不一樣的。

對于移動電話應用，需要檢測的目標物通常是人的耳朵或臉頰，以表明使用者正在將電話靠近其頭部。在此具體情況下，較小的光線監測角度也完全可以滿足需要。但是，如果接近傳感器是用于感測手勢或者與手或手指的互動功能，則光線監測的角度就必須顯著擴大。

目前尚沒有這類應用中關于光線監測角度的國際標準，所以每個智能手機生產商都有各自的規范。通常，可接受的光線監測角度多為大約距中心±30度，亦即總共60度。

內部反射干擾

光線監測角度不只是受傳感器從FPCB轉移到PCB的惟一的影響。由于增加空氣間隙而導致的光路距離的增加還會造成內反射干擾的增加。距離越大，內反射光量就越大。目前市面上的許多傳感器不能應對大量的內反射。內反射干擾會減小接近檢測的距離甚至導致光傳感器完全飽和。

Intersil的ISL29038包括偏移調整功能，允許制造商利用該偏移調整功能對內反射干擾進行補償和恢復到完整檢測范圍。另外它還包括IR補償功能，允許制造商根據具體玻璃響應來調整環境光傳感器響應。

可通過在IR LED和傳感器之間增加一個隔斷來改進上述傳感器系統的設計。這個隔斷的材料應當采用能完全阻止紅外能量的。有些設計中隔斷的選擇還要匹配面板玻璃與電路板之間的距離。雖然這給結構設計帶來了方便，但會產生盲區。盲區是一種有害情形，這時目標物可能已非常靠近傳感器但不能被檢測到。

IR LED有一個可傳播其能量的區域，傳感器有一個可接受信號的三維區域。這些區域通過圖中開口向上的角表示。通過將上述隔斷的高度降低至允許這兩個相交在面板玻璃處即可消除盲區。當然，有些制造商并不愿意承受增加隔斷帶來的附加成本。

需要考慮的另一種情況是3合1系統，亦即IR LED與傳感器封裝在一起的單芯片方案。具有偏移調整功能的3合1解決方案是ISL29147。在這種情形中仍然推薦要加隔斷，但結構設計有很大的不同。對于3合1系統，很難直接在芯片上加一隔斷來消除IR LED對傳感器的串擾。

因此常見做法是使用稱為有兩個孔的硅膠套的結構。硅膠套可在零件上恰當地滑動，確保內置的隔斷正確對準，并在手機（或其他設備）意外掉落時不會因震動而導致位置偏移。同樣，硅膠套也有成本，即使有主流傳感器生產商如Intersil提供示范設計，一些制造商也會猶豫是否要添加硅膠套。

一些設計（如平板電腦和便捷式電腦）只使用環境光傳感器（ALS），以便通過低屏幕亮度來省電。ALS零件只接收光。由于其系統沒有發射元件，所以傳感器從柔性電路板轉移到主電路板會影響光線監測角度，但不會增加串擾。

同樣，通常也使用周邊圍起來的隔斷來避免來自意想不到的反射光（或者攝像頭模塊的反射光）進入零件。ALS是便攜式電腦設計的一部分，ISL29023已在Windows 8參考設計中，Window 8已集成了ISL29023的驅動軟件。

在實踐中，高性能的手機仍然使用柔性電路板來使傳感器元件貼近面板玻璃，以提供最佳性能。由于手機要同時考慮質量與價格，所以消除柔性電路板的需要就變得更加強烈。

傳感器和IR LED可能并非柔性電路板上的唯一元件。它們通常與攝像頭模塊或音頻元件分享電路板空間。如果去除柔性電路板，則需要將這些元件重新排列和放置到主電路板上。