Negli ultimi tempi si è assistito a un costante aumento della richiesta di sensori di prossimità in applicazioni automobilistiche capaci di rilevare la presenza di oggetti che si trovano nei pressi della superficie del sensore senza nessun contatto fisico. Come si può facilmente intuire, le applicazioni di rilevamento di prossimità sono innumerevoli. Il controllo per l’apertura delle portiere di un’automobile, dove il rilevamento di una mano che si avvicina alla maniglia della portiera avvia il processo di sblocco della macchina, oppure l’illuminazione e il “risveglio” del touchscreen (sempre nel momento di avvicinamento della mano dell’utente) e il rilevamento di semplici gesti per accendere/spegnere determinati dispositivi costituiscono un valido ausilio sia per il guidatore che per i passeggeri. I metodi per il rilevamento di prossimità possono essere di natura capacitiva, a infrarossi, a ultrasuoni, ottico e via dicendo. Nel caso l’intervallo di rilevamento sia compreso tra 5 e 300 mm, il rilevamento di tipo capacitivo permette di conseguire numerosi vantaggi rispetto ad altre tecniche: elevata affidabilità, semplicità di progettazione meccanica, bassi consumi e costi ridotti. I sensori di prossimità capacitivi misurano la variazione di capacità tra il singolo elettrodo e la massa (sensori a capacità propria – self-capacitance) o tra due elettrodi (sensori a capacità mutua – mutual capacitance) nel momento in cui gli oggetti si approssimano agli elettrodi. Mentre la capacità è compresa tra 10 e 300 pF, le variazioni di capacità sono estremamente ridotte, e variano da pochi fF ad alcuni pF. Poiché le linee del campo elettrico attorno ai sensori a capacità propria si propagano a una grande distanza dall’elettrodo di rilevamento, questi ultimi vengono preferiti rispetto ai sensori a capacità mutua, nei quali le linee del campo elettrico sono in gran parte concentrate nell’area compresa tra gli elettrodi di trasmissione e di ricezione. Nel momento in cui si prendono in considerazione i sensori di prossimità capacitivi per applicazioni in ambito automobilistico le caratteristiche principali da esaminare sono l’elevata sensibilità e la capacità di resistere agli effetti dell’umidità. Il rilevamento di piccolo variazioni nella capacità misurata richiede una sensibilità elevata e costante. Inoltre è necessario prevedere opportuni accorgimenti per limitare gli effetti negativi sulla sensibilità provocati dai carichi capacitivi, specialmente nel caso in cui l’elettrodo di rilevamento è posizionato su una superficie conduttiva (piastra metallica, carrozzeria e così via). Viene utilizzato uno strato di schermatura attiva per ridurre gli effetti negative del carico capacitivo tra l’elettrodo e la superficie conduttiva. Un ulteriore vantaggio delle schermature attive è rappresentato dagli effetti neutralizzanti che queste hanno sulle pellicole d’acqua.
Le variazioni prodotte dall’umidità nei segnali misurati possono risultare più rilevanti rispetto a quelle provocate dall’avvicinarsi di oggetti. Una pellicola d’acqua su una superficie è uno dei principali problemi da superare nel caso di decida di utilizzare soluzioni di tipo capacitivo. Queste pellicole d’acqua sono più o meno conduttive e generano una variazione nei segnali misurati simile a quella provocata da un normale tocco. Per affrontare in maniera efficace gli effetti causati dalle pellicole d’acqua esistono due possibilità: utilizzare una schermatura attiva (come visto in precedenza) oppure ridurre il tempo di trasferimento della carica. La pellicola d’acqua può essere utilizzata come circuito RC distribuito. Impulsi di trasferimento di carica ridotti impediscono la carica completa dei condensatori C, diminuendo in tal modo l’impatto negativo delle pellicole d’acqua. I migliori risultati si ottengono nel caso in cui il tempo di trasferimento delle cariche è compreso tra 100 e 250 ns. Un progetto meccanico adeguato dell’area di rilevamento e l’uso di materiali idonei impediscono la formazione di pellicole d’acqua di un certo spessore sull’area di rilevamento. Nelle applicazioni di tipo automobilistico si possono verificare rapide escursioni di temperatura in qualsiasi momento. È necessario porre una particolare attenzione alla stabilità del progetto meccanico perché anche le più piccole variazioni di distanza nei pressi delle superfici conduttive può essere causa di falsi rilevamenti. Un altro aspetto da prendere in considerazione è l’immunità al rumore. A causa dell’elevata sensibilità, le interferenze dovute a fonti di rumore (noise interference) potrebbero compromettere il normale funzionamento del sensore di prossimità. Un’attenta progettazione meccanica ed elettrica della scheda Pcb evita le interferenze di rumore provocate da cavi adiacenti o superfici conduttive.
Un sistema per l’apertura delle portiere
Un esempio di rilevamento di prossimità capacitivo è quello relativo ai sistemi per l’apertura delle portiere di un veicolo. Il sensore di prossimità che rileva l’avvicinarsi di una mano è localizzato all’interno della maniglia della portiere. Una volta rilevata la prossimità dell’oggetto, l’unità centrale invia un segnale di “sveglia” (wake up) attraverso l’antennna LF che attiva il trasmettitore della chiave della macchina. Quest’ultimo scambia informazioni con il ricevitore Rfid e nel caso il codice corrisponde a quello memorizzato nell’unità di controllo principale la portiera viene sbloccata. L’intero processo (rilevamento di prossimità e riconoscimento ID) richiede una frazione di secondo: quando la mano dell’utente impugna la maniglia la portiera è già sbloccata. Il vantaggio di utilizzare il rilevamento di prossimità invece del rilevamento di tipo tattile nei sistemi per l’apertura delle portiere è il tempo richiesto da quest’ultimo per l’identificazione della persona. Quindi lo stato della serratura sarà sempre deciso prima che la maniglia venga impugnata.
Movimenti per l’accensione
e lo spegnimento di dispositivi
L’utilizzo simultaneo di due o più sensori di prossimità capacitivi permette di rilevare semplici gesti come il movimento di una mano che si sposta avanti e indietro di fronte a un dispositivo. Un semplice esempio di un sistema di questo tipo utilizzato per accendere/spegnere le luci all’interno di un’autovettura il gesto di una mano posta di fronte alla luce in una direzione provoca l’accensione della luce, mentre un gesto della stessa mano nella direzione opposta ne provoca lo spegnimento. Il sistema è in grado di analizzare i segnali provenienti dal sensore di prossimità e decidere se accendere o spegnere la luce. Esistono differenti opzioni per la realizzazione degli elettrodi di rilevamento all’interno di una lampadina, che vanno dall’uso di fili di rame sottili a quello di polimeri conduttivi che possono essere applicati direttamente sopra la plastica.
