触摸传感器的工作原理及主要类型

触觉是许多动物和一些植物的重要感觉通道，例如我们的手触摸某物时，我们的感官会有反应。不过对于计算机而言，其输入设备与人类接触无关，因为在进行、保持或中断物理接触(如触摸或释放)时，它不会没有反应。

正因如此，触摸感应输入设备为新颖的交互技术提供了许多可能性。其中，触摸传感器技术正在慢慢取代鼠标和键盘等机械物体。触摸传感器在不依赖物理接触的情况下检测触摸或接近。触摸传感器正在进入许多应用，如手机、遥控器、控制面板等。更重要的是，当前的触摸传感器可以取代机械按钮和开关。

带有简单的旋转滑块、触摸板和旋转轮的触摸传感器为更直观的用户界面提供了显着优势。触摸传感器在没有移动部件的情况下使用起来更方便、更可靠。触摸传感器的使用为系统设计人员提供了极大的自由度，有助于降低系统的总体成本，并且整体外观可以更具吸引力和现代感。

工作原理

触摸传感器也称为触觉传感器，对触摸、力或压力敏感，它们是最简单和有用的传感器之一。触摸传感器的工作类似于简单的开关，当与触摸传感器的表面接触时，传感器内部的电路闭合并且有电流流动。当触点松开时，电路断开，没有电流流过。其工作示意图如下所示：

主要类型

1、电容式触摸传感器

电容式触摸传感器广泛应用于大多数便携式设备，如手机和MP3播放器。电容式触摸传感器甚至可以在家用电器、汽车和工业应用中找到，主要原因是得益于它的耐用性、坚固性及具有有吸引力的外观设计。

与机械设备不同，触摸传感器不包含移动部件，因此它们比机械输入设备更耐用。触摸传感器坚固耐用，因为没有湿气和灰尘进入的开口。

下面简单解释电容式触摸传感器的原理。

最简单的电容器可以由两个由绝缘体隔开的导体制成，金属板可被视为导体，电容的公式如下所示：

C = ε 0 * ε r * A / d

其中：ε0是自由空间的介电常数、εr是相对介电常数或介电常数、A是板块的面积，d是板块之间的距离。

电容与面积成正比，与距离成反比。

在电容式触摸传感器中，电极代表电容器的极板之一。第二块板由两个物体表示：一个是传感器电极的环境，形成寄生电容C0 ，另一个是像人手指这样的导电物体，形成触摸电容CT。

传感器电极连接到测量电路并定期测量电容。如果导电物体接触或接近传感器电极，输出电容会增加，测量电路将检测电容的变化并将其转换为触发信号，其工作原理如下图所示：

如果传感器电极的面积越大，覆盖材料的厚度越小，触摸电容CT也越大。结果，触摸板和未触摸的传感器板之间的电容差异也很大。这意味着传感器电极和覆盖材料的尺寸会影响传感器的灵敏度。

电容测量用于许多应用，例如确定距离、压力、加速度等，而电容式触摸传感器是其另一个应用领域。测量电容有多种方法，常见的包括幅度调制、频率调制、时间延迟测量、占空比等。

在电容式触摸传感器的情况下，导电材料的存在足以触发负载并且不需要任何力。因此，在电容式触摸传感器的情况下，错误或意外触发的风险更高。这个问题更多是在存在湿气或水的情况下，因为它们都是比较好的导体。

另外，触摸传感器中电容的测量方法需要一个位于感应垫附近的参考平面。在电容式触摸传感器中，手指跳闸会在感应电极和参考平面之间形成电容，这是因为人体的皮肤油脂或汗液可能会导致误触发。所以，为了区分有意触摸和错误触摸，使用了额外的感应垫或软件算法。最好的解决办法是去掉参考接地电极。

目前电容式触摸传感器有两种类型，分别如下：

表面电容式感应;在表面电容传感中，绝缘体在其表面的一侧涂有导电涂层。在该导电涂层的顶部，涂上一层薄薄的绝缘体。电流施加到导电涂层的所有角落。当像人手指这样的外部导体与表面接触时，它们之间会形成电容，并从角落吸收更多电流。测量每个角落的电流，它们的比率将决定触摸在表面上的位置。

投射电容式感应;在投射电容感应中，整个表面不带电，而是在两种绝缘材料之间放置一个 X-Y导电材料网格。网格通常由PCB上的铜或金或玻璃上的氧化铟锡制成，IC用于充电和监控电网。当外部导电物体(如手指)从网格上的某个区域拉出电荷时，IC会计算手指在触摸表面上的位置。由投射电容技术制成的触摸传感器可用于感应未触摸其表面的手指。

2、电阻式触摸传感器

电阻式触摸传感器的使用时间比电容式触摸传感器更长，因为它们是简单的控制电路。电阻式触摸传感器不依赖于电容的电气特性，因此，电阻式触摸传感器可以适应非导电材料，如触控笔和手套包裹的手指。

与测量电容的电容式触摸传感器相比，电阻式触摸传感器感应表面上的压力。

电阻式触摸传感器由两个由小间隔点隔开的导电层组成。底层由玻璃或薄膜制成，顶层由薄膜制成。导电材料涂有金属薄膜，一般为氧化铟锡，本质上是透明的。在导体表面施加电压。

当使用任何探针(如手指、触控笔、钢笔等)在传感器的顶部薄膜上施加压力时，它会激活传感器。当施加足够的压力时，顶部薄膜向内弯曲并与底部薄膜接触。这会导致电压降，并且接触点会在X – Y方向上创建一个分压器网络。

该电压和电压变化由控制器检测，并根据触摸的 X-Y 坐标计算施加压力的触摸位置。可以使用下图解释电阻式触摸传感器的功能：

在电阻式触摸传感器的工作中，接触电极的物体的电阻会体现出来。例如，当手指接触表面时，手指的小电阻允许一些电流流过它，从而完成一个电路。晶体管充当开关。电阻器Rp用于保护晶体管免受任何可能的电极短路的影响。电阻器Rb用于在电路开路时保持基极接地，即没有手指的情况下。

当两个电极都被触摸时，小电流流过手指，晶体管导通，因此负载变为活动状态。一个简单的电阻式触摸敏感电路如下所示：

它由两个电极、两个以达林顿配置连接的晶体管、一个电阻器和一个LED组成。当手指放在电极上时，电路完成并发生电流放大。电阻器用于限制流向LED的电流量。

电阻式触摸传感器分为三种类型：4线、5线和8线。

4线电阻式触摸传感器最具成本效益。5线电阻式触摸传感器最耐用，它们类似于4线传感器，只是这种类型的所有电极都位于底层。5线传感器的顶层用作电压测量探头，由于这种类型的结构，5线电阻式触摸传感器允许更多的驱动次数。

在8线电阻式触摸传感器中，传感器的每个边缘都提供一条感应线，这些感应线充当触摸控制器的稳定电压梯度。这些感应线将触摸区域的实际基线电压电平报告给控制器，它们是最精确的电阻式触摸传感器。

手指、触控笔、钢笔、戴手套的手指等任何物体都用于对电阻式触摸传感器施加压力，它们大多用于恶劣的环境。但是电阻式触摸传感器的响应时间小于电容式触摸传感器。因此，电容式触摸传感器正在慢慢取代它们。

总结

简单来说，触摸传感器是一种捕获和记录设备和/或物体上的物理触摸设备，它通常可以将物理信号转换为相应的电信号，从而产生控制作用。触摸传感器也称之为触摸检测器或触觉传感器。