面向手持移動設備的觸摸傳感技術解析

典型的食用油如橄欖油或杏仁油的介電常數(shù)在2.8-3.0之間。石蠟在華氏68度時的介電常數(shù)在2.2-4.7之間。這些材料的介電常數(shù)接近甚至小于傳感器常用覆膜聚碳酸脂(2.9-3.2)或ABS材料(2.87-3.0)的介電常數(shù)。因而，油對傳感器的操作沒有多大影響。

相反，甘油的介電常數(shù)在47-68之間，水的介電常數(shù)約為80。盡管這些材料的介電常數(shù)比覆膜材料高，對于使用數(shù)字觸摸檢測技術(如ATLab公司開發(fā)并擁有產(chǎn)權(quán)的FMA1127觸摸傳感器控制器所使用的技術)的觸摸傳感器來說，由于傳感器墊片和濺上的液體都沒有接地，濺上這些液體不會引起任何異常行為。

盡管觸摸傳感器的操作細節(jié)和接口依賴于具體的應用，一般來說，容性傳感器接口電路和檢測方法有模擬和數(shù)字兩種類型。一種模擬技術是測量頻率或工作周期，這些量因為在手指和地之間引入額外的電容而發(fā)生變化(見圖2)。

圖2： 模擬觸摸方案;由于需使用參考地，可能會受到水滴的影響。

利用這種技術和高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可以把測到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。得益于混合信號技術的進步，最新款的電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換器把高性能模擬前端與低功率高性能ADC集成在一起。

模擬接口電路的一個缺點是容性傳感器可能會受到難以捉摸的噪聲、串擾、耦合的影響。另外，傳感器輸出的動態(tài)范圍受到電源電壓的限制，而隨著半導體制造技工藝節(jié)點的縮小該電源電壓在不斷降低。

如果使用深亞微米CMOS技術把傳感器電路與復雜的數(shù)字信號處理模塊集成到相同的基底上，情況會變得更具挑戰(zhàn)性。為避免外部干擾，該器件可能會要求使用軟件工作區(qū)，這增加了與之接口的微控制器的存儲器開銷和性能開銷。

全數(shù)字傳感方法(見圖3)可避免與模擬方法有關的問題。數(shù)字方法通過使電容成為RC延時線的一部分來檢測傳感器電容的變化。

圖3：數(shù)字觸摸方案;在存在水滴時仍具有魯棒的性能。

圖3中簡單的全數(shù)字型時間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)測量該延時線相對于基準RC延時線的差并輸出阻抗的變化。寄生電容對RC延時的影響可通過加電補償來消除。

手指碰到傳感器墊片使電容增大進而提高了RC延時時間并導致阻抗變化。把這個阻抗與校準阻抗對比可確定是否發(fā)生了觸摸事件。該傳感方案很容易通過調(diào)整RC延時線的電阻來改善性能。

MCU接口

不管使用模擬方法還是數(shù)字方法，觸摸傳感器控制器都可以使用簡單的SPI或I(SUP/)2(/SUP)C接口與微控制器相連。MCU(主)通常以主從模式與觸摸傳感器控制器(從)進行數(shù)據(jù)交換。

如果MCU沒有這樣的串行接口，可以使用軟件模擬串行接口的方法，但這種方法增加了存儲器和性能的開銷。把觸摸傳感器控制器與微控制器集成在一起的芯片已在不久前上市。

消費電子、家庭自動化和工業(yè)要求

相對于傳統(tǒng)機械按鈕、滑塊、轉(zhuǎn)輪和開關，觸摸傳感器控制提供了靈活、可靠且高性價比的替代方案。