电容式触摸感应技术的电容感测技术原理解析

自从电容触摸技术进入市场以来，它已经广泛地进入了广泛的应用领域。触摸技术始于第一批移动电话中使用的电阻式触摸屏。灵敏度是主要的设计考虑因素，因为电阻式触摸传感器的响应速度很慢。电阻技术紧随其后的是电容式触摸感应技术，基于触摸的界面在整个市场中迅速普及。

电容感测技术基于以下原理：只要观察到触摸或物体表面环境发生任何其他变化，它就会改变物体在特定区域内的介电特性。这进而改变了所检测到的电容，该电容被感测为电压变化。与使用电阻式触摸检测到的变化相比，电容的变化非常快。通过提高表面物体的介电性能，可以更快地改变变化速度。

电容式传感器可以直接或间接感应各种因素，包括电场，运动，化学性质或加速度，流体性质，压力等。传感器的表面充当电介质周围的电极，借助检测电路和激励电压，该电介质能够将电容的变化转换为变化的电压。法拉德给出了计算电容变化的典型表达式。它是一个表，其中绝对介电常数，相对介电常数，s是表面积和d是板之间的距离。这里  

类似地，可以根据表面积特性来计算其他对称表面。在电极不对称的情况下，场线可以给出等电位s的近似值

基于电容感应的触摸模块包括按钮，滑块，触控板，接近度，触摸界面，旋转编码和许多其他界面组件，这些组件可用来代替嘈杂，笨重的机械按钮和开关。与机械接口相比，这不仅缩小了系统板的尺寸，而且减少了功耗。例如，电容性触摸界面通常在1.8 V至5 V的电压下工作，甚至可以在0.9 V的电压下工作，尽管在灵敏度，电源要求，错误触发等方面可能会出现性能问题。

电容感测子系统需要图2所示的组件。覆盖层是PCB（印刷电路板）组件上暴露于用户的设备的顶部接口。它是用户触摸以执行特定操作的光滑表面。覆盖层可以是玻璃，木材，丙烯酸，塑料或任何其他非导电材料。下一个组件是PCB。选择PCB时要考虑其介电常数和它所带来的损耗。选件包括用于低成本应用的FR4基板以及可承受额外成本的用于应用的低损耗RT Duroid基板。下一个重要的组件是传感器垫。这是一个敏感的组件，在设计和将其放置在PCB上时需要满足某些条件。

图2：电容式感应子系统的组件。

电容测量可以通过两种方式进行：互电容和自电容。图3显示了互电容和自电容的工作原理。

图3：自电容和互电容的工作原理

在基于自电容的电容式传感器中，电容是相对于地面测量的。具有互电容，Tx电极元件和Rx元件用于检测触摸和不检测触摸。当发生任何触摸时，信号从Tx电极传递到Rx元件。该信号与互电容成正比。因此，当发生任何触摸时，互电容减小，而自电容增大。自电容通常在单点触摸应用程序（即一个手指界面）中有用，而多点触摸应用程序（即可以使用多个手指，例如两个手指手势）需要互电容。

设计方法论

尽管电容感测在用户满意度方面提供了令人印象深刻的界面，但设计人员需要努力工作以在满足预算限制的同时保持流畅的性能。健壮性，可靠性，可重复性，准确性和灵敏性是工程师必须为基于电容式触摸的应用提供的一些关键功能。在本节中，我们将讨论工程师需要解决的各个问题，以有效地在消费类应用中实现电容感应。

选择控制器

控制器的选择是设计的重要方面。如今，市场上有许多控制器可用，每个控制器都有其自己的特殊功能。适用于电容感应的控制器应在芯片内部具有良好的模拟电路，以提供高SNR（信噪比）以保持性能和准确性。还建议控制器支持信号调理功能，因为处理电容性信号（尤其是基于多点触摸的应用中的电容性信号）需要大量的信号调理。在驱动器，缓冲器或转换器等方面与控制器一起添加额外的硬件通常不是一个好主意，因为这些组件会影响路径噪声和损耗，并增加物料清单（BOM）成本。

PSoC（可编程片上系统）控制器具有集成的电容式感应功能，以及诸如运放和TIA（跨阻抗放大器）之类的信号调理电路。这些使工程师能够直接将传感器与控制器接口，而无需其他硬件。

电容感应对水和湿气也非常敏感。这可能会影响洗衣机和冰箱等预期防潮的应用的性能和可靠性。水有其自己的电容率，电容率加起来并阻碍电容作用，因此，重要的是，控制器必须使传感器防水，以支持防水性。

通过使用性能较低的处理器并传输模拟传感器数据和电容测量以进行脱机处理，可以将许多消费类系统设计为降低成本。如今，BLE（蓝牙低功耗）传输通常用于将数据传输到基于Android或iOS的应用程序。其他应用程序可能需要使用其他无线技术，例如Wi-Fi，ZigBee或WiMax。集成了无线功能支持的控制器可以大大简化设计。

调整技术和固件功能

对于使用电容式感应的系统，调整模拟传感器是重要的设计阶段。电容感测精度在很大程度上取决于环境的介电常数和所经受的触摸环境。需要对设备进行设计，以便它们可以在潮湿，寒冷，炎热和多雪的环境中动态运行。这可以通过调整固件中的传感器来实现。

调整可以是手动的也可以是自动的（即，由微控制器支持）。自动调整技术避免了分步调整传感器的耗时且繁琐的过程。手动调整对于构建数量较少的应用程序非常方便，因为它不需要大量的软件，尽管要跟踪许多因素，包括SNR，材料的介电常数，覆盖层的厚度，灵敏度和响应时间。灵活的控制器将同时支持手动和自动调整功能，从而使工程师能够促进批量生产以及有限的构建。

还需要良好的固件功能来执行智能信号处理算法。考虑到电容系统调谐的复杂性，重要的是要有一个全面的设计环境来支持控制器。例如，PSoC Creator是一个集成开发环境，允许开发人员设计具有复杂信号处理能力的应用的电容式感应模块，而无需对复杂代码进行编程。

覆盖物和固定物的选择

覆盖层不仅决定了最终产品的美观性，而且还定义了其感应功能的灵敏度。图4显示了在采用电容式感应技术的系统中使用的各种类型的覆盖层，如木材，丙烯酸或玻璃。实验表明，所有这些覆盖图都需要进行调整才能可靠地实现。由于固定问题而导致的诸如覆盖识别之类的问题最常在消费者应用程序中观察到。

图4：与电容式感应技术一起使用的覆盖层。

电容随基板和电极之间的气隙而变化。如果正确完成覆盖层的固定，则变化的气隙可能会影响整个系统的性能和灵敏度。吸带，磁对准和机械固定是消费行业中用于防止此类问题的一些标准技术。覆盖层的厚度也是一个重要的参数，因为该厚度与电容以及灵敏度成正比。从整体产品的角度来看，覆盖层的材料，其饰面和美观度是重要的参数。生产用于大规模生产的基于覆盖的产品是消费者应用中的设计和制造挑战。

传感器元件的放置和接地技术

通常，PCB的接地层应始终保持统一。由于噪声的均匀分布，因此可降低地面噪声。但是，这也会增加寄生电容（CP），这会影响基于电容感测的应用。CP是与传感器走线直接相关的主要因素。CP的增加增加了布局的难度，因为设计人员必须更加谨慎并且不要引入其他寄生效应。实际上，这限制了设计人员进行轨迹跟踪的公差。

因此，对于基于电容的应用，必须选择散列图案接地平面，而不是均匀的接地平面。传感器垫的任何一层都不应有任何其他电气走线或金属在周围移动。图5证明了这一理论。

图5：电容式传感器温育板的PCB结构。

电路板技术的选择也是可能影响CP的重要因素。在大多数产品中，已经观察到柔性材料是用于将传感器与电路连接的首选材料，因为它对系统的CP较低。总体电容是人体触摸电容，PCB电容（对于基于FR4或Flex的PCB有所不同），PCB走线电容以及添加到系统中的其他寄生效应的总和。因此，调整成为设计周期中的必要阶段。

最后，通过为电容式传感器提供适当的屏蔽（即接地层），可以避免错误触发电容式传感器，EMI和EMC噪声以及其他不良影响。图6示出了响应于电容性刺激而发生的情况的横截面图。

图6：电容焊盘的横截面和布局技术。

BOM优化

BOM优化也是产品设计的重要标准。复杂的机械设计，外壳和光滑的覆层，以增加美观度，也往往会增加BOM成本。例如，使用RT Duroid基板，玻璃覆盖物和光滑的外壳肯定会带来行业最佳的产品。但是，设备成本增加可能会导致市场失灵。

结论

针对消费类应用的电容式感应技术，从其工作原理，设计和应用方面进行了讨论。考虑了电容式触摸技术的调整，元件选择，放置标准以及各种其他问题，这些问题在设计周期中得到了观察，并给出了一些可能的解决方案。使用集成了电容感应功能的控制器，可以降低产品成本和复杂性，从而提高设备性能和可靠性。

　　作者：印度班加罗尔Ronak Desai 赛普拉斯半导体公司的Nishant Mittal

编辑：hfy