Kapazitätsänderung 0.3pF im Standby feststellen

[Kay B. (kay-b)]

Hallo miteinander,

ich habe mit FEM einen Kondensator entworfen (Streufeldkondensator als 
Touch-Element), dessen Kapazität ca. 60pF beträgt. Bei Berührung wird 
sich die Kapazität erwartungsgemäß innerhalb von max. 20ms um etwa 0.3pF 
erhöhen, simulierte Kapazitätsänderung siehe Anhang. Im Normal-Betrieb 
soll das mit einem hochauflösenden Kapazitäts-Mess-IC (FDC1004) erkannt 
werden. So weit, so gut.
Jetzt möchte ich die Kapazität mit einer weiteren Schaltung neben dem 
vorhanden IC im Standby-Betrieb (Kapazitäts-Mess-IC und uC inaktiv) 
zusäztlich auswerten und dann, wenn die Bedienfläche berührt wird, den 
Rest der Schaltung aufwecken. Das soll möglichst wenig Strom verbrauchen 
(max. 100uA). Gelegentliche Fehlerkennungen (ein paar mal am Tag o.ä.) 
wären nicht weiter schlimm.

Meine Idee:
Den Kondensator mit einem sehr großen Widerstand dazwischen mit dem Akku 
verbinden, sodass er stets voll geladen ist und auch geringen 
Kapazitätsänderung durch veränderte Luftfeuchtigkeit, Temperatur oder 
ähnliches folgen kann, ohne merklich in der Spannung zu schwanken. Ist 
die Kapazitätsänderung ausreichend groß (bei Berührung) wird die 
Spannung dennoch einbrechen (theoretisch um bis zu 20mV, wenn vorher 
3.6V). Das wäre dann mit einem Komperator festzustellen, dessen 
Schwellspannung mit einem einfachen Spannungsteiler aus zwei 
Widerständen eingestellt wird und der einen sehr geringen Eingangsstrom 
hat (gibts ja alles).
Im Anhang zwei Bilder, wie sich die Kondensatorspannung theoretisch 
verhält, wenn man den Eingangsstrom des Komperators vernachlässigt (z.B. 
wenige pA) und einmal 100M-Ohm und einmal 1G-Ohm verwendet. Auch nicht 
berücksichtigt ist die Selbstentladung des Kondensators, die ich leider 
nicht abschätzen kann.
Ebensowenig natürlich elektromagnetische Störeinflüsse, die 20mV ja 
durchaus übersteigen.

Da ich kein Experte bin, wollte ich mich deswegen an euch wenden, um zu 
fragen, ob man diese Schaltung überhaupt so konzipieren kann, dass sie 
funktioniert.
Später wird alles von meiner Hochschule auf Keramiksubstrat 
Siebgedruckt, kurze Leiterbahnen wären also machbar. Nicht machbar ist 
hingegen ein Metallgehäuse, um die Schaltung effektiv abzuschirmen.

Danke im Voraus für jede Hilfe!

EDIT: Bei Bild 2 und 3 habe ich die Einheiten vergessen! Auf der x-Achse 
"t in s" und auf der y-Achse "U in V".
EDIT: "Den Rest der Schaltung aufwecken" soll bedeuten: Der Ausgang des 
Komperators geht in die Begrenzung und weckt damit den uC an einem 
HW-Interrupt-Pin.


Grüße, Kay

[Lurchi (Gast)]

Auf welchem Potential der Finger oder was auch immer ist, ist nicht klar 
definiert. Entsprechend ist nicht klar ob die Spannung im Kondensator 
eher sinkt oder ggf. auch steigt.

Der 2. Punkt ist, das man vermutlich einen deutlichen Störpegel (z.B. 50 
Hz) mit drauf haben wird. Vermutlich mehr als die 20 mV und auch nicht 
immer gleich viel.

Vermutlich müsste man schon die Kapazität als solche auswerten. Also 
schon mit Wechselspannung arbeiten.

[Kay B. (kay-b)]

Hallo Lurchi,

Lurchi schrieb:
> Auf welchem Potential der Finger oder was auch immer ist, ist nicht klar
> definiert. Entsprechend ist nicht klar ob die Spannung im Kondensator
> eher sinkt oder ggf. auch steigt.

Darüber habe ich noch gar nicht nachgedacht, weil der Grundlagenartikel 
zum Thema kapazitive Berührsensoren, den ich mir angeschaut habe, von 
GND-Potential für den Finger ausging. Aber gut, dass du es erwähnst.
Ich denke, es ist in diesem Fall durchaus realistisch, dass der Finger 
auf GND-Potential liegt. Denn der Benutzer wird vor dem Berühren der 
Bedienfläche (Kunststoff) höchstwahrscheinlich mit dem umgebenden 3mm 
dicken Aluminium in Berührung kommen, das auf dem Minus-Pol des Akkus, 
also quasi dem GND der mobilen Schaltung, liegt.

Lurchi schrieb:
> Der 2. Punkt ist, das man vermutlich einen deutlichen Störpegel (z.B. 50
> Hz) mit drauf haben wird. Vermutlich mehr als die 20 mV und auch nicht
> immer gleich viel.

Könnte dann ein ganz ordinärer Tiefpass helfen? Denn das Signal, das 
mich interessiert ist ja vergleichsweise sehr langsam.

[Kurt (Gast)]

Kay B. schrieb:
> Darüber habe ich noch gar nicht nachgedacht, weil ...

... er mit der Realität nicht viel im Sinn hat.

Will er jetzt eine Hilfe, um seine Simulation zu befriedigen,
oder um etwas in der (GRUSEL!) realen Welt zu basteln?

[Noch einer (Gast)]

Falls das mit dem Touch-Pad im Sleep-Mode klappen sollte...

Für meinen Fernseher will ich einen Fernbedienung mit Touch-Pads statt 
diesen dummen Gummitastern.

[Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish)]

Hay Kay,

vielleicht hilft es die Spielregeln wie folgt zu verändern:

- nach einem oberflächlichen Blick ins Datenblatt zu urteilen, nimmt der 
FDC1004 29uA im Standby und 750uA im aktiven Betrieb auf

- wenn Du nun alle X Sekunden eine Messung triggerst, hast Du eine 
geringere mittlere Stromaufnahme

- dem Bediener müsste man per Handbuch sagen: "im Standby in kurzen
Abständen mehrfach tippen, um Gerät zu wecken". Das würde er aber wohl 
intuitiv so machen.

Grüße,
 Marcus