【導讀】電容式觸摸技術已在廣泛的應用領域取得了巨大的進展。觸摸技術始于系列手機中使用的電阻式觸摸屏。由于電阻式觸摸傳感器的響應速度較慢，因此靈敏度是一個主要的設計考慮因素。電阻式技術之后是電容式觸摸傳感技術，基于觸摸的界面迅速普及整個市場。
電容式觸摸技術已在廣泛的應用領域取得了巨大的進展。觸摸技術始于系列手機中使用的電阻式觸摸屏。由于電阻式觸摸傳感器的響應速度較慢，因此靈敏度是一個主要的設計考慮因素。電阻式技術之后是電容式觸摸傳感技術，基于觸摸的界面迅速普及整個市場。
電容式傳感技術的原理是，只要觀察到觸摸或物體表面環境發生任何其他變化，就會改變物體特定區域的介電特性。這反過來又改變了檢測到的電容，該電容被檢測為電壓的變化。與使用電阻式觸摸檢測到的變化相比，電容的變化非常快。通過增強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多種因素，包括電場、運動、化學性質或加速度、流體性質、壓力等。傳感器的表面充當電介質周圍的電極，在檢測電路和激勵電壓的幫助下，能夠將電容的變化轉換為變化的電壓。計算電容變化的典型表達式由法拉給出。它是一米，其中 是介電常數， 是相對介電常數，s是表面積，d是板之間的距離。這里類似地，可以根據表面積特性計算其他對稱表面。在不對稱電極的情況下，場線可以給出等勢 s 的近似值。
基于電容感應的觸摸模塊包括按鈕、滑塊、觸控板、接近、觸摸接口、旋轉編碼和許多其他接口組件，可用于取代嘈雜、笨重的機械按鈕和開關。與機械接口相比，這不僅縮小了系統板尺寸，還減少了功耗。例如，功率電容式觸摸界面通常在 1.8V 至 5V 的電壓范圍內工作，甚至可以在 0.9V 的電壓下工作，盡管可能會出現靈敏度、功率要求、誤觸發等方面的性能問題。
電容式傳感子系統需要圖 2 所示的組件。覆蓋層是 PCB（印刷電路板）組件上設備的頂部接口，暴露給用戶。它是用戶觸摸以執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電材料。下一個組件是 PCB。PCB 的選擇取決于其介電常數及其帶來的損耗。選項包括適用于低成本應用的 FR4 基板以及適用于可承受額外成本的應用的低損耗 RT Duroid 基板。下一個重要組件是傳感器墊。這是一個敏感元件，其設計和在 PCB 上的放置需要遵循一定的標準。
圖 2：電容式傳感子系統的組件。
電容測量可以通過兩種方式進行：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，電容是相對于地測量的。通過互電容，Tx 電極元件和 Rx 元件用于檢測觸摸和無觸摸感測。當發生任何觸摸時，信號從 Tx 電極傳遞到 Rx 元件。該信號與互電容成正比。當發生任何觸摸時，互電容會減小，而自電容會增加。自電容通常在單點觸摸應用（即，一根手指界面）中有用，而多點觸摸應用（即，可以使用多個手指，例如兩指手勢）需要實現互電容。
設計方法
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，但設計人員需要努力保持平穩的性能，同時滿足預算限制。魯棒性、可靠性、可重復性、準確性和靈敏度是工程師必須為基于電容式觸摸的應用提供的一些關鍵特性。在本節中，我們將討論工程師在消費類應用中有效實現電容式傳感所需解決的各個問題。
控制器的選擇
控制器的選擇是設計的一個重要方面。如今，市場上有許多控制器，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在芯片內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調理功能，因為處理電容信號（尤其是基于多點觸控的應用中的電容信號）需要大量信號調理。添加用于信號調節的驅動器、緩沖器或轉換器以及控制器等額外硬件通常不是一個好主意，因為這些組件會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）控制器在信號調理電路（例如運算放大器和 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，而無需額外的硬件。
電容式傳感對水和濕氣也非常敏感。這可能會影響洗衣機和冰箱等需要防潮的應用的性能和可靠性。水有其自身的介電常數，它會增加電容并阻礙電容效應，因此控制器通過使傳感器防水來支持耐水性非常重要。
通過使用性能較低的處理器并傳輸模擬傳感器數據和電容測量值以進行離線處理，許多消費類系統可以設計得更低成本。如今，BLE（低功耗藍牙）傳輸通常用于將數據傳輸到基于 Android 或 iOS 的應用程序。其他應用程序可能需要使用替代無線技術，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化設計。
調優技術和固件功能
對于使用電容傳感的系統來說，調整模擬傳感器是一個重要的設計階段步驟。電容式感應精度很大程度上取決于環境的介電常數和觸摸環境。設備的設計需要使其能夠在潮濕、寒冷、炎熱和下雪的環境中動態運行。這可以通過調整固件中的傳感器來實現。
調節可以是手動的或自動的（即由微控制器支持）。自動調諧技術避免了逐步調諧傳感器的耗時且繁瑣的過程。手動調整對于構建數量較少的應用來說很方便，因為它不需要大量的軟件，盡管有許多因素需要跟蹤，包括信噪比、材料的介電常數、覆蓋層的厚度、靈敏度和響應時間。靈活的控制器將支持手動和自動調整功能，使工程師能夠促進大規模生產和有限構建。
執行智能信號處理算法還需要良好的固件功能。考慮到調節電容系統的復雜性，控制器得到全面設計環境的支持非常重要。例如，PSoC Creator 是一個集成開發環境，允許開發人員設計具有復雜信號處理功能應用程序的電容式傳感模塊，而無需編寫復雜的代碼。
選擇疊加和固定
覆蓋層不僅決定了終產品的美觀，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的系統中使用的各種類型的覆蓋層，例如木材、丙烯酸或玻璃。實驗表明，所有這些疊加都需要進行調整才能可靠地實現。由于固定問題而導致的覆蓋識別等問題在消費者應用中常見。
圖 4：采用電容傳感技術的覆蓋層。
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，變化的氣隙可能會影響整個系統的性能和靈敏度。吸盤、磁性對準和機械固定是消費行業中用于防止此類問題的一些標準技術。覆蓋層的厚度也是一個重要參數，因為厚度與電容和靈敏度成正比。從整體產品的角度來看，覆蓋層的材料、表面處理和美觀是重要的參數。生產用于大規模生產的基于覆蓋的產品是消費應用中的設計和制造挑戰。
傳感器元件的放置和接地技術
一般來說，PCB 的地平面應該是一致的。由于噪聲分布均勻，因此地面噪聲減少。然而，這也會增加寄生電容 (CP)，從而影響基于電容傳感的應用。CP是與傳感器走線直接相關的主要因素。CP 的增加增加了布局的難度，因為設計者必須更加謹慎，不要引入其他寄生效應。實際上，這限制了設計者對軌跡追蹤的容忍度。
因此，對于基于電容的應用，有必要選擇散列模式接地層而不是統一接地層。傳感器墊不應有任何其他電氣軌道或金屬在其任何層中移動。圖 5 證明了這一理論。
圖 5：電容式傳感器孵化板的 PCB 結構。
電路板技術的選擇也是影響CP的重要因素。據觀察，在大多數產品中，柔性材料是連接傳感器與電路的材料，因為它對系統的 CP 影響較小。總電容是人體觸摸電容、PCB 電容（對于基于 FR4 或 Flex 的 PCB 不同）、PCB 走線電容以及添加到系統的其他寄生效應的總和。因此，調整成為設計周期中的必要階段。
通過為電容傳感器提供適當的屏蔽（即接地層），可以避免電容傳感器的誤觸發、EMI 和 EMC 噪聲以及其他不良影響。圖 6 顯示了電容刺激響應情況的橫截面圖。
圖 6：電容焊盤的橫截面和布局技術。
物料清單優化
BOM優化也是產品設計的重要標準。復雜的機械設計、外殼和光滑的覆蓋層以增加美觀性也往往會增加 BOM 成本。例如，采用 RT Duroid 基板、玻璃覆蓋層和時尚的外殼肯定會產生業界的產品。然而，設備成本的增加可能會導致市場失敗。
結論
從工作原理、設計和應用角度討論了面向消費類應用的電容式傳感技術。電容式觸摸技術的分析涉及其調整、組件選擇、布局標準以及設計周期中觀察到的各種其他問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品成本和復雜性，從而提高設備性能和可靠性。
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