【導(dǎo)讀】電容式觸摸技術(shù)已在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展。觸摸技術(shù)始于系列手機(jī)中使用的電阻式觸摸屏。由于電阻式觸摸傳感器的響應(yīng)速度較慢，因此靈敏度是一個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮因素。電阻式技術(shù)之后是電容式觸摸傳感技術(shù)，基于觸摸的界面迅速普及整個(gè)市場(chǎng)。
電容式觸摸技術(shù)已在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展。觸摸技術(shù)始于系列手機(jī)中使用的電阻式觸摸屏。由于電阻式觸摸傳感器的響應(yīng)速度較慢，因此靈敏度是一個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮因素。電阻式技術(shù)之后是電容式觸摸傳感技術(shù)，基于觸摸的界面迅速普及整個(gè)市場(chǎng)。
電容式傳感技術(shù)的原理是，只要觀察到觸摸或物體表面環(huán)境發(fā)生任何其他變化，就會(huì)改變物體特定區(qū)域的介電特性。這反過(guò)來(lái)又改變了檢測(cè)到的電容，該電容被檢測(cè)為電壓的變化。與使用電阻式觸摸檢測(cè)到的變化相比，電容的變化非常快。通過(guò)增強(qiáng)表面物體的介電特性可以使變化速度更快。
電容式傳感器可以直接或間接感測(cè)多種因素，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?chē)碾姌O，在檢測(cè)電路和激勵(lì)電壓的幫助下，能夠?qū)㈦娙莸淖兓D(zhuǎn)換為變化的電壓。計(jì)算電容變化的典型表達(dá)式由法拉給出。它是一米，其中 是介電常數(shù)， 是相對(duì)介電常數(shù)，s是表面積，d是板之間的距離。這里類似地，可以根據(jù)表面積特性計(jì)算其他對(duì)稱表面。在不對(duì)稱電極的情況下，場(chǎng)線可以給出等勢(shì) 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、觸摸接口、旋轉(zhuǎn)編碼和許多其他接口組件，可用于取代嘈雜、笨重的機(jī)械按鈕和開(kāi)關(guān)。與機(jī)械接口相比，這不僅縮小了系統(tǒng)板尺寸，還減少了功耗。例如，功率電容式觸摸界面通常在 1.8V 至 5V 的電壓范圍內(nèi)工作，甚至可以在 0.9V 的電壓下工作，盡管可能會(huì)出現(xiàn)靈敏度、功率要求、誤觸發(fā)等方面的性能問(wèn)題。
電容式傳感子系統(tǒng)需要圖 2 所示的組件。覆蓋層是 PCB（印刷電路板）組件上設(shè)備的頂部接口，暴露給用戶。它是用戶觸摸以執(zhí)行特定操作的光滑成品表面。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。PCB 的選擇取決于其介電常數(shù)及其帶來(lái)的損耗。選項(xiàng)包括適用于低成本應(yīng)用的 FR4 基板以及適用于可承受額外成本的應(yīng)用的低損耗 RT Duroid 基板。下一個(gè)重要組件是傳感器墊。這是一個(gè)敏感元件，其設(shè)計(jì)和在 PCB 上的放置需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)。
圖 2：電容式傳感子系統(tǒng)的組件。
電容測(cè)量可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行：互電容和自電容。圖3所示為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（參考https://www.cypress.com/documentation/application-notes/an64846-getting-started-capsense）。
在基于自電容的電容傳感器中，電容是相對(duì)于地測(cè)量的。通過(guò)互電容，Tx 電極元件和 Rx 元件用于檢測(cè)觸摸和無(wú)觸摸感測(cè)。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。當(dāng)發(fā)生任何觸摸時(shí)，互電容會(huì)減小，而自電容會(huì)增加。自電容通常在單點(diǎn)觸摸應(yīng)用（即，一根手指界面）中有用，而多點(diǎn)觸摸應(yīng)用（即，可以使用多個(gè)手指，例如兩指手勢(shì)）需要實(shí)現(xiàn)互電容。
設(shè)計(jì)方法
雖然電容式傳感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)人員需要努力保持平穩(wěn)的性能，同時(shí)滿足預(yù)算限制。魯棒性、可靠性、可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和靈敏度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)鍵特性。在本節(jié)中，我們將討論工程師在消費(fèi)類應(yīng)用中有效實(shí)現(xiàn)電容式傳感所需解決的各個(gè)問(wèn)題。
控制器的選擇
控制器的選擇是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。如今，市場(chǎng)上有許多控制器，每種控制器都有自己的特殊功能和特性。適用于電容式傳感的控制器應(yīng)在芯片內(nèi)部具有良好的模擬電路，旨在提供高 SNR（信噪比）以保持性能和精度。還建議控制器支持信號(hào)調(diào)理功能，因?yàn)樘幚黼娙菪盘?hào)（尤其是基于多點(diǎn)觸控的應(yīng)用中的電容信號(hào)）需要大量信號(hào)調(diào)理。添加用于信號(hào)調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器、緩沖器或轉(zhuǎn)換器以及控制器等額外硬件通常不是一個(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)）控制器在信號(hào)調(diào)理電路（例如運(yùn)算放大器和 TIA（跨阻放大器））中集成了電容式傳感功能。這些使工程師能夠直接將傳感器與控制器連接，而無(wú)需額外的硬件。
電容式傳感對(duì)水和濕氣也非常敏感。這可能會(huì)影響洗衣機(jī)和冰箱等需要防潮的應(yīng)用的性能和可靠性。水有其自身的介電常數(shù)，它會(huì)增加電容并阻礙電容效應(yīng)，因此控制器通過(guò)使傳感器防水來(lái)支持耐水性非常重要。
通過(guò)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)量值以進(jìn)行離線處理，許多消費(fèi)類系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)得更低成本。如今，BLE（低功耗藍(lán)牙）傳輸通常用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?Android 或 iOS 的應(yīng)用程序。其他應(yīng)用程序可能需要使用替代無(wú)線技術(shù)，例如 Wi-Fi、ZigBee 或 WiMax。集成了無(wú)線功能支持的控制器可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
調(diào)優(yōu)技術(shù)和固件功能
對(duì)于使用電容傳感的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，調(diào)整模擬傳感器是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)階段步驟。電容式感應(yīng)精度很大程度上取決于環(huán)境的介電常數(shù)和觸摸環(huán)境。設(shè)備的設(shè)計(jì)需要使其能夠在潮濕、寒冷、炎熱和下雪的環(huán)境中動(dòng)態(tài)運(yùn)行。這可以通過(guò)調(diào)整固件中的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
調(diào)節(jié)可以是手動(dòng)的或自動(dòng)的（即由微控制器支持）。自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)避免了逐步調(diào)諧傳感器的耗時(shí)且繁瑣的過(guò)程。手動(dòng)調(diào)整對(duì)于構(gòu)建數(shù)量較少的應(yīng)用來(lái)說(shuō)很方便，因?yàn)樗恍枰罅康能浖M管有許多因素需要跟蹤，包括信噪比、材料的介電常數(shù)、覆蓋層的厚度、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。靈活的控制器將支持手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)整功能，使工程師能夠促進(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)和有限構(gòu)建。
執(zhí)行智能信號(hào)處理算法還需要良好的固件功能?？紤]到調(diào)節(jié)電容系統(tǒng)的復(fù)雜性，控制器得到全面設(shè)計(jì)環(huán)境的支持非常重要。例如，PSoC Creator 是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，允許開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)具有復(fù)雜信號(hào)處理功能應(yīng)用程序的電容式傳感模塊，而無(wú)需編寫(xiě)復(fù)雜的代碼。
選擇疊加和固定
覆蓋層不僅決定了終產(chǎn)品的美觀，還決定了其傳感功能的靈敏度。圖 4 顯示了采用電容傳感技術(shù)的系統(tǒng)中使用的各種類型的覆蓋層，例如木材、丙烯酸或玻璃。實(shí)驗(yàn)表明，所有這些疊加都需要進(jìn)行調(diào)整才能可靠地實(shí)現(xiàn)。由于固定問(wèn)題而導(dǎo)致的覆蓋識(shí)別等問(wèn)題在消費(fèi)者應(yīng)用中常見(jiàn)。
圖 4：采用電容傳感技術(shù)的覆蓋層。
電容隨基板和電極之間的氣隙而變化。如果覆蓋層的固定正確，變化的氣隙可能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和靈敏度。吸盤(pán)、磁性對(duì)準(zhǔn)和機(jī)械固定是消費(fèi)行業(yè)中用于防止此類問(wèn)題的一些標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。覆蓋層的厚度也是一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)楹穸扰c電容和靈敏度成正比。從整體產(chǎn)品的角度來(lái)看，覆蓋層的材料、表面處理和美觀是重要的參數(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)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)
一般來(lái)說(shuō)，PCB 的地平面應(yīng)該是一致的。由于噪聲分布均勻，因此地面噪聲減少。然而，這也會(huì)增加寄生電容 (CP)，從而影響基于電容傳感的應(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)者必須更加謹(jǐn)慎，不要引入其他寄生效應(yīng)。實(shí)際上，這限制了設(shè)計(jì)者對(duì)軌跡追蹤的容忍度。
因此，對(duì)于基于電容的應(yīng)用，有必要選擇散列模式接地層而不是統(tǒng)一接地層。傳感器墊不應(yīng)有任何其他電氣軌道或金屬在其任何層中移動(dòng)。圖 5 證明了這一理論。
圖 5：電容式傳感器孵化板的 PCB 結(jié)構(gòu)。
電路板技術(shù)的選擇也是影響CP的重要因素。據(jù)觀察，在大多數(shù)產(chǎn)品中，柔性材料是連接傳感器與電路的材料，因?yàn)樗鼘?duì)系統(tǒng)的 CP 影響較小。總電容是人體觸摸電容、PCB 電容（對(duì)于基于 FR4 或 Flex 的 PCB 不同）、PCB 走線電容以及添加到系統(tǒng)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。
通過(guò)為電容傳感器提供適當(dāng)?shù)钠帘危唇拥貙樱?，可以避免電容傳感器的誤觸發(fā)、EMI 和 EMC 噪聲以及其他不良影響。圖 6 顯示了電容刺激響應(yīng)情況的橫截面圖。
圖 6：電容焊盤(pán)的橫截面和布局技術(shù)。
物料清單優(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)、外殼和光滑的覆蓋層以增加美觀性也往往會(huì)增加 BOM 成本。例如，采用 RT Duroid 基板、玻璃覆蓋層和時(shí)尚的外殼肯定會(huì)產(chǎn)生業(yè)界的產(chǎn)品。然而，設(shè)備成本的增加可能會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)失敗。
結(jié)論
從工作原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用角度討論了面向消費(fèi)類應(yīng)用的電容式傳感技術(shù)。電容式觸摸技術(shù)的分析涉及其調(diào)整、組件選擇、布局標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)周期中觀察到的各種其他問(wèn)題以及一些可能的解決方案。使用集成了電容式傳感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。
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