深度剖析電容式觸摸感應(yīng)

一、電容器可能很敏感

在過去十年左右的時(shí)間里，很難想象一個(gè)沒有觸敏電子產(chǎn)品的世界。智能手機(jī)是一個(gè)突出且無處不在的例子，但當(dāng)然，有許多設(shè)備和系統(tǒng)集成了觸摸感應(yīng)功能。

電阻和電容都可以用作實(shí)現(xiàn)觸摸靈敏度的手段;在本文中，我們將僅討論電容式觸摸感應(yīng)，它已成為首選實(shí)現(xiàn)方式。

雖然基于電容式觸摸傳感的應(yīng)用可能相當(dāng)復(fù)雜，但該技術(shù)的基本原理相當(dāng)簡(jiǎn)單。事實(shí)上，如果您了解電容的本質(zhì)以及決定特定電容器電容的因素，那么您就可以很好地理解電容式觸摸傳感。

電容式觸摸傳感器分為兩大類：互電容配置和自電容配置。前者由作為發(fā)射電極和接收電極的兩個(gè)端子組成，是觸敏顯示器的首選。

后者將傳感電容器的一個(gè)端子接地，是一種適用于觸摸感應(yīng)按鈕、滑塊或滾輪的簡(jiǎn)單方法。本文介紹自電容配置。

二、PCB電容器

電容器有多種形式。我們都習(xí)慣于看到引線元件或表面貼裝封裝形式的電容，但實(shí)際上，您真正需要的只是由絕緣材料（即電介質(zhì)）隔開的兩根導(dǎo)體。因此，

使用集成到印刷電路板中的導(dǎo)電層創(chuàng)建電容器非常簡(jiǎn)單。例如，考慮以下用作觸摸感應(yīng)按鈕的PCB電容器的頂視圖和側(cè)視圖表示（請(qǐng)注意，側(cè)視圖圖中省略了阻焊層）+1a

觸敏按鈕和周圍銅之間的絕緣隔離形成一個(gè)電容器。在這種情況下，周圍的銅連接到接地節(jié)點(diǎn)，因此，我們的觸摸感應(yīng)按鈕可以建模為觸摸敏感信號(hào)和接地之間的電容器。

在這一點(diǎn)上， 您可能想知道這種小PCB布置實(shí)際上提供了多少電容。此外，我們?nèi)绾螠?zhǔn)確地計(jì)算它。要回答第一個(gè)問題，電容非常小，可能在10

pF左右。至于第二個(gè)問題：如果你忘記了靜電，不要擔(dān)心，因?yàn)殡娙萜鞯拇_切值無關(guān)緊要。我們只尋找電容的變化，我們可以在不知道PCB電容器的標(biāo)稱值的情況下檢測(cè)到這些變化。

三、手指的作用

那么是什么原因?qū)е铝擞|感控制器將要檢測(cè)到的這些電容變化呢？就像上圖，人類的手指，原因。

在我們討論手指為什么改變電容之前，重要的是要了解這里沒有直接傳導(dǎo);手指通過PCB的阻焊層與電容器絕緣，通常還通過一層塑料將設(shè)備的電子設(shè)備與外部環(huán)境隔開。因此，手指沒有對(duì)電容器放電，此外，在特定時(shí)刻存儲(chǔ)在電容器中的電荷量不是目標(biāo)量，相反，感興趣的量是特定時(shí)刻的電容。

那么，為什么手指的存在會(huì)改變電容呢？原因有二：第一個(gè)涉及手指的介電特性，第二個(gè)涉及手指的導(dǎo)電特性。

四、電介質(zhì)

我們通常認(rèn)為電容器具有固定值，由兩個(gè)導(dǎo)電板的面積，板之間的距離以及板之間材料的介電常數(shù)決定。我們當(dāng)然不能僅僅通過觸摸來改變電容器的物理尺寸，但是我們可以改變介電常數(shù)，因?yàn)槿说氖种妇哂信c它所放置的材料（大概是空氣）不同的介電特性。確實(shí)，手指不會(huì)位于實(shí)際的介電區(qū)域，這意味著導(dǎo)體之間的絕緣空間，但這種對(duì)電容器本身的“侵入”是沒有必要的。

如上圖所示，手指不需要在板之間來影響介電特性，因?yàn)殡娙萜鞯碾妶?chǎng)延伸到周圍環(huán)境中。

事實(shí)證明，人的肉體是一種很好的介電材料，因?yàn)槲覀兊纳眢w大多是水。真空的介電常數(shù)定義為1，空氣的介電常數(shù)略高（在海平面和室溫下約為1.0006）。水的介電常數(shù)要高得多，約為80。因此，手指與電容器電場(chǎng)的相互作用表示介電常數(shù)的增加，從而增加電容。

五、導(dǎo)體

任何經(jīng)歷過電擊的人都知道人體皮膚是導(dǎo)電的。我上面提到，手指和觸摸感應(yīng)按鈕之間的直接傳導(dǎo)（即手指對(duì)PCB電容器放電的情況）不會(huì)發(fā)生。然而，這并不意味著手指的導(dǎo)電性無關(guān)緊要。它實(shí)際上是非常相關(guān)的，因?yàn)槭种赋蔀楦郊与娙萜鞯牡诙€(gè)導(dǎo)電板。

出于實(shí)際目的，我們可以假設(shè)手指產(chǎn)生的這種新電容器（我們稱之為指帽）與現(xiàn)有的PCB電容器并聯(lián)。這種情況有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)槭褂糜|敏器件的人沒有與PCB的接地節(jié)點(diǎn)電連接，因此兩個(gè)電容器在典型的電路分析意義上不是“并聯(lián)”的。

但是，我們可以將人體視為提供虛擬地面，因?yàn)樗哂邢鄬?duì)較大的吸收電荷的能力。無論如何，

我們不需要擔(dān)心指帽和PCB帽之間的確切電氣關(guān)系;重要的一點(diǎn)是，兩個(gè)電容器的偽并聯(lián)配置意味著手指將增加總電容，因?yàn)殡娙萜魇遣⒙?lián)的。

因此，我們可以看到，控制手指和電容式觸摸傳感器之間相互作用的兩種機(jī)制都有助于電容的增加。

六、接觸或接近

到目前為止，我們可以得到一個(gè)有趣的電容“觸摸”感應(yīng)點(diǎn)，即電容的可測(cè)量變化不僅可以通過手指和傳感器之間的接觸產(chǎn)生，還可以通過手指和傳感器之間的接近產(chǎn)生。我通常認(rèn)為觸敏設(shè)備是機(jī)械開關(guān)或按鈕的替代品，但電容式傳感技術(shù)實(shí)際上引入了一個(gè)新的功能層，允許系統(tǒng)確定傳感器和手指之間的距離。

上述兩種電容變化機(jī)制都會(huì)產(chǎn)生與距離成正比的效果。對(duì)于基于介電常數(shù)的機(jī)制，當(dāng)手指靠近PCB電容器的導(dǎo)電部分時(shí)，與電容器電場(chǎng)相互作用的肉質(zhì)電介質(zhì)量增加。對(duì)于基于電導(dǎo)率的機(jī)制，指帽的電容（與任何電容一樣）與導(dǎo)電板之間的距離成反比。

但請(qǐng)記住，這不是測(cè)量傳感器和手指之間絕對(duì)距離的方法;電容式傳感不提供執(zhí)行精確絕對(duì)距離計(jì)算所需的數(shù)據(jù)類型。我假設(shè)可以校準(zhǔn)電容式傳感系統(tǒng)以進(jìn)行粗略的距離測(cè)量，但是由于電容式傳感電路旨在檢測(cè)電容的變化，因此該技術(shù)特別適用于檢測(cè)距離變化，即當(dāng)手指靠近或遠(yuǎn)離傳感器時(shí)。