電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的電容感測(cè)技術(shù)原理解析

自從電容觸摸技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)以來，它已經(jīng)廣泛地進(jìn)入了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。觸摸技術(shù)始于第一批移動(dòng)電話中使用的電阻式觸摸屏。靈敏度是主要的設(shè)計(jì)考慮因素，因?yàn)殡娮枋接|摸傳感器的響應(yīng)速度很慢。電阻技術(shù)緊隨其后的是電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)，基于觸摸的界面在整個(gè)市場(chǎng)中迅速普及。

電容感測(cè)技術(shù)基于以下原理：只要觀察到觸摸或物體表面環(huán)境發(fā)生任何其他變化，它就會(huì)改變物體在特定區(qū)域內(nèi)的介電特性。這進(jìn)而改變了所檢測(cè)到的電容，該電容被感測(cè)為電壓變化。與使用電阻式觸摸檢測(cè)到的變化相比，電容的變化非?？臁Ｍㄟ^提高表面物體的介電性能，可以更快地改變變化速度。

電容式傳感器可以直接或間接感應(yīng)各種因素，包括電場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)，化學(xué)性質(zhì)或加速度，流體性質(zhì)，壓力等。傳感器的表面充當(dāng)電介質(zhì)周圍的電極，借助檢測(cè)電路和激勵(lì)電壓，該電介質(zhì)能夠?qū)㈦娙莸淖兓D(zhuǎn)換為變化的電壓。法拉德給出了計(jì)算電容變化的典型表達(dá)式。它是一個(gè)表，其中絕對(duì)介電常數(shù)，相對(duì)介電常數(shù)，s是表面積和d是板之間的距離。這里

類似地，可以根據(jù)表面積特性來計(jì)算其他對(duì)稱表面。在電極不對(duì)稱的情況下，場(chǎng)線可以給出等電位s的近似值

基于電容感應(yīng)的觸摸模塊包括按鈕，滑塊，觸控板，接近度，觸摸界面，旋轉(zhuǎn)編碼和許多其他界面組件，這些組件可用來代替嘈雜，笨重的機(jī)械按鈕和開關(guān)。與機(jī)械接口相比，這不僅縮小了系統(tǒng)板的尺寸，而且減少了功耗。例如，電容性觸摸界面通常在1.8 V至5 V的電壓下工作，甚至可以在0.9 V的電壓下工作，盡管在靈敏度，電源要求，錯(cuò)誤觸發(fā)等方面可能會(huì)出現(xiàn)性能問題。

電容感測(cè)子系統(tǒng)需要圖2所示的組件。覆蓋層是PCB（印刷電路板）組件上暴露于用戶的設(shè)備的頂部接口。它是用戶觸摸以執(zhí)行特定操作的光滑表面。覆蓋層可以是玻璃，木材，丙烯酸，塑料或任何其他非導(dǎo)電材料。下一個(gè)組件是PCB。選擇PCB時(shí)要考慮其介電常數(shù)和它所帶來的損耗。選件包括用于低成本應(yīng)用的FR4基板以及可承受額外成本的用于應(yīng)用的低損耗RT Duroid基板。下一個(gè)重要的組件是傳感器墊。這是一個(gè)敏感的組件，在設(shè)計(jì)和將其放置在PCB上時(shí)需要滿足某些條件。

圖2：電容式感應(yīng)子系統(tǒng)的組件。

電容測(cè)量可以通過兩種方式進(jìn)行：互電容和自電容。圖3顯示了互電容和自電容的工作原理。

圖3：自電容和互電容的工作原理

在基于自電容的電容式傳感器中，電容是相對(duì)于地面測(cè)量的。具有互電容，Tx電極元件和Rx元件用于檢測(cè)觸摸和不檢測(cè)觸摸。當(dāng)發(fā)生任何觸摸時(shí)，信號(hào)從Tx電極傳遞到Rx元件。該信號(hào)與互電容成正比。因此，當(dāng)發(fā)生任何觸摸時(shí)，互電容減小，而自電容增大。自電容通常在單點(diǎn)觸摸應(yīng)用程序（即一個(gè)手指界面）中有用，而多點(diǎn)觸摸應(yīng)用程序（即可以使用多個(gè)手指，例如兩個(gè)手指手勢(shì)）需要互電容。

設(shè)計(jì)方法論

盡管電容感測(cè)在用戶滿意度方面提供了令人印象深刻的界面，但設(shè)計(jì)人員需要努力工作以在滿足預(yù)算限制的同時(shí)保持流暢的性能。健壯性，可靠性，可重復(fù)性，準(zhǔn)確性和靈敏性是工程師必須為基于電容式觸摸的應(yīng)用提供的一些關(guān)鍵功能。在本節(jié)中，我們將討論工程師需要解決的各個(gè)問題，以有效地在消費(fèi)類應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)電容感應(yīng)。

選擇控制器

控制器的選擇是設(shè)計(jì)的重要方面。如今，市場(chǎng)上有許多控制器可用，每個(gè)控制器都有其自己的特殊功能。適用于電容感應(yīng)的控制器應(yīng)在芯片內(nèi)部具有良好的模擬電路，以提供高SNR（信噪比）以保持性能和準(zhǔn)確性。還建議控制器支持信號(hào)調(diào)理功能，因?yàn)樘幚黼娙菪孕盘?hào)（尤其是基于多點(diǎn)觸摸的應(yīng)用中的電容性信號(hào)）需要大量的信號(hào)調(diào)理。在驅(qū)動(dòng)器，緩沖器或轉(zhuǎn)換器等方面與控制器一起添加額外的硬件通常不是一個(gè)好主意，因?yàn)檫@些組件會(huì)影響路徑噪聲和損耗，并增加物料清單（BOM）成本。

PSoC（可編程片上系統(tǒng)）控制器具有集成的電容式感應(yīng)功能，以及諸如運(yùn)放和TIA（跨阻抗放大器）之類的信號(hào)調(diào)理電路。這些使工程師能夠直接將傳感器與控制器接口，而無需其他硬件。

電容感應(yīng)對(duì)水和濕氣也非常敏感。這可能會(huì)影響洗衣機(jī)和冰箱等預(yù)期防潮的應(yīng)用的性能和可靠性。水有其自己的電容率，電容率加起來并阻礙電容作用，因此，重要的是，控制器必須使傳感器防水，以支持防水性。

通過使用性能較低的處理器并傳輸模擬傳感器數(shù)據(jù)和電容測(cè)量以進(jìn)行脫機(jī)處理，可以將許多消費(fèi)類系統(tǒng)設(shè)計(jì)為降低成本。如今，BLE（藍(lán)牙低功耗）傳輸通常用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?a target="_blank">Android或iOS的應(yīng)用程序。其他應(yīng)用程序可能需要使用其他無線技術(shù)，例如Wi-Fi，ZigBee或WiMax。集成了無線功能支持的控制器可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

調(diào)整技術(shù)和固件功能

對(duì)于使用電容式感應(yīng)的系統(tǒng)，調(diào)整模擬傳感器是重要的設(shè)計(jì)階段。電容感測(cè)精度在很大程度上取決于環(huán)境的介電常數(shù)和所經(jīng)受的觸摸環(huán)境。需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便它們可以在潮濕，寒冷，炎熱和多雪的環(huán)境中動(dòng)態(tài)運(yùn)行。這可以通過調(diào)整固件中的傳感器來實(shí)現(xiàn)。

調(diào)整可以是手動(dòng)的也可以是自動(dòng)的（即，由微控制器支持）。自動(dòng)調(diào)整技術(shù)避免了分步調(diào)整傳感器的耗時(shí)且繁瑣的過程。手動(dòng)調(diào)整對(duì)于構(gòu)建數(shù)量較少的應(yīng)用程序非常方便，因?yàn)樗恍枰罅康能浖?，盡管要跟蹤許多因素，包括SNR，材料的介電常數(shù)，覆蓋層的厚度，靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。靈活的控制器將同時(shí)支持手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)整功能，從而使工程師能夠促進(jìn)批量生產(chǎn)以及有限的構(gòu)建。

還需要良好的固件功能來執(zhí)行智能信號(hào)處理算法?？紤]到電容系統(tǒng)調(diào)諧的復(fù)雜性，重要的是要有一個(gè)全面的設(shè)計(jì)環(huán)境來支持控制器。例如，PSoC Creator是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，允許開發(fā)人員設(shè)計(jì)具有復(fù)雜信號(hào)處理能力的應(yīng)用的電容式感應(yīng)模塊，而無需對(duì)復(fù)雜代碼進(jìn)行編程。

覆蓋物和固定物的選擇

覆蓋層不僅決定了最終產(chǎn)品的美觀性，而且還定義了其感應(yīng)功能的靈敏度。圖4顯示了在采用電容式感應(yīng)技術(shù)的系統(tǒng)中使用的各種類型的覆蓋層，如木材，丙烯酸或玻璃。實(shí)驗(yàn)表明，所有這些覆蓋圖都需要進(jìn)行調(diào)整才能可靠地實(shí)現(xiàn)。由于固定問題而導(dǎo)致的諸如覆蓋識(shí)別之類的問題最常在消費(fèi)者應(yīng)用程序中觀察到。

圖4：與電容式感應(yīng)技術(shù)一起使用的覆蓋層。

電容隨基板和電極之間的氣隙而變化。如果正確完成覆蓋層的固定，則變化的氣隙可能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和靈敏度。吸帶，磁對(duì)準(zhǔn)和機(jī)械固定是消費(fèi)行業(yè)中用于防止此類問題的一些標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。覆蓋層的厚度也是一個(gè)重要的參數(shù)，因?yàn)樵摵穸扰c電容以及靈敏度成正比。從整體產(chǎn)品的角度來看，覆蓋層的材料，其飾面和美觀度是重要的參數(shù)。生產(chǎn)用于大規(guī)模生產(chǎn)的基于覆蓋的產(chǎn)品是消費(fèi)者應(yīng)用中的設(shè)計(jì)和制造挑戰(zhàn)。

傳感器元件的放置和接地技術(shù)

通常，PCB的接地層應(yīng)始終保持統(tǒng)一。由于噪聲的均勻分布，因此可降低地面噪聲。但是，這也會(huì)增加寄生電容（CP），這會(huì)影響基于電容感測(cè)的應(yīng)用。CP是與傳感器走線直接相關(guān)的主要因素。CP的增加增加了布局的難度，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員必須更加謹(jǐn)慎并且不要引入其他寄生效應(yīng)。實(shí)際上，這限制了設(shè)計(jì)人員進(jìn)行軌跡跟蹤的公差。

因此，對(duì)于基于電容的應(yīng)用，必須選擇散列圖案接地平面，而不是均勻的接地平面。傳感器墊的任何一層都不應(yīng)有任何其他電氣走線或金屬在周圍移動(dòng)。圖5證明了這一理論。

圖5：電容式傳感器溫育板的PCB結(jié)構(gòu)。

電路板技術(shù)的選擇也是可能影響CP的重要因素。在大多數(shù)產(chǎn)品中，已經(jīng)觀察到柔性材料是用于將傳感器與電路連接的首選材料，因?yàn)樗鼘?duì)系統(tǒng)的CP較低?？傮w電容是人體觸摸電容，PCB電容（對(duì)于基于FR4或Flex的PCB有所不同），PCB走線電容以及添加到系統(tǒng)中的其他寄生效應(yīng)的總和。因此，調(diào)整成為設(shè)計(jì)周期中的必要階段。

最后，通過為電容式傳感器提供適當(dāng)?shù)钠帘危唇拥貙樱梢员苊忮e(cuò)誤觸發(fā)電容式傳感器，EMI和EMC噪聲以及其他不良影響。圖6示出了響應(yīng)于電容性刺激而發(fā)生的情況的橫截面圖。

圖6：電容焊盤的橫截面和布局技術(shù)。

BOM優(yōu)化

BOM優(yōu)化也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，外殼和光滑的覆層，以增加美觀度，也往往會(huì)增加BOM成本。例如，使用RT Duroid基板，玻璃覆蓋物和光滑的外殼肯定會(huì)帶來行業(yè)最佳的產(chǎn)品。但是，設(shè)備成本增加可能會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)失靈。

結(jié)論

針對(duì)消費(fèi)類應(yīng)用的電容式感應(yīng)技術(shù)，從其工作原理，設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面進(jìn)行了討論?？紤]了電容式觸摸技術(shù)的調(diào)整，元件選擇，放置標(biāo)準(zhǔn)以及各種其他問題，這些問題在設(shè)計(jì)周期中得到了觀察，并給出了一些可能的解決方案。使用集成了電容感應(yīng)功能的控制器，可以降低產(chǎn)品成本和復(fù)雜性，從而提高設(shè)備性能和可靠性。

作者：印度班加羅爾Ronak Desai 賽普拉斯半導(dǎo)體公司的Nishant Mittal

編輯：hfy