電容式觸摸傳感器觸摸屏的實(shí)現(xiàn)原理

隨著混合信號技術(shù)的發(fā)展，可以利用基于噪聲門限和手指門限的反跳法，實(shí)現(xiàn)按鍵開關(guān)狀態(tài)之間的干凈利落的轉(zhuǎn)換，從而使得電容式觸摸傳感器成為各種消費(fèi)電子產(chǎn)品中機(jī)械式開關(guān)的一種實(shí)用、增值型替代方案，另外，還提高了檢測電路的靈敏度和可靠性。

觸摸傳感器的廣泛使用已經(jīng)有很多年了。不過，隨著近期混合信號可編程器件的發(fā)展，使得電容式觸摸傳感器成為各種消費(fèi)電子產(chǎn)品中機(jī)械式開關(guān)的一種實(shí)用、增值型替代方案。

對于典型的電容式傳感器，規(guī)定其覆蓋層的厚度為3mm或更薄。隨著覆蓋層厚度的增加，來傳感手指的觸摸將變得越來越困難。換句話說，伴隨著覆蓋層厚度的增加，系統(tǒng)調(diào)整過程將必須從“科學(xué)”跨越到“精益求精”。為了說明如何制作一個能夠提升目前技術(shù)極限的電容式傳感器，在本文所述的實(shí)例中，選用玻璃覆蓋層的厚度為10mm。玻璃易于使用，購買方便，而且是透明的，因此您可以看到下面的感應(yīng)墊。玻璃覆蓋層還被直接應(yīng)用于白色家電。

手指電容

所有電容式觸摸傳感系統(tǒng)的核心部分都是一組與電場相互作用的導(dǎo)體。在皮膚下面，人體組織中充滿了傳導(dǎo)電解質(zhì)(一種有損電介質(zhì))。正是手指的這種導(dǎo)電特性，使得電容式觸摸傳感成為可能。

簡單的平行板電容器具有兩個導(dǎo)體，其間隔著一層電介質(zhì)。該系統(tǒng)中的大部分能量直接*在電容器極板之間。少許能量會泄露到電容器極板以外的空間，而由這些泄露能量所形成的電場被稱為“邊緣場”。制作實(shí)用電容式傳感器的部分難題在于：需要設(shè)計一組印制導(dǎo)線，將上述的邊緣場引導(dǎo)到用戶易接近的有效感應(yīng)區(qū)域中。顯然，對于這種傳感器模式來說，平行板電容器并非上佳之選。

把手指放在邊緣電場的附近將增加電容式傳感系統(tǒng)的導(dǎo)電表面積。由手指所產(chǎn)生的額外電荷存儲容量就是已知的手指電容CF。無手指觸摸時的傳感器電容用CP來表示。在本文中，它代表寄生電容。

關(guān)于電容式傳感器的一個常見的誤解是：為了使系統(tǒng)正常工作，手指必須接地。實(shí)際上，手指被傳感的原因在于它帶有電荷，而這與其是否懸空或接地完全無關(guān)。

傳感器的PCB布局

圖1顯示了一塊PCB的頂視圖，該P(yáng)CB實(shí)現(xiàn)了本例中的一個電容式傳感器按鍵。

圖1：傳感器的PCB頂視圖(online)

該按鍵的直徑為10mm，這是一個成人指尖的平均尺寸。為該演示電路而組裝的PCB包含4個按鍵，它們的中心相隔20mm。如圖1中所示，接地平面也位于頂層。金屬感應(yīng)墊和接地平面之間設(shè)置了一個均勻的隔離間隙。該間隙的尺寸是一個重要的設(shè)計參數(shù)。如果間隙設(shè)置得過小，則過多的電場能量將直接傳遞至地。而如果間隙設(shè)置得過大，則將無法控制能量穿越覆蓋層的方式。選擇0.5mm的間隙尺寸可以很好地使邊緣場透過10mm厚的玻璃覆蓋層。

如圖所示，PCB中的過孔將金屬感應(yīng)墊與電路板底面上的印制導(dǎo)線相連。當(dāng)電場試圖找到最短的接地路徑時，介電常數(shù)εr將對進(jìn)入材料中的電場能量的密度產(chǎn)生影響。標(biāo)準(zhǔn)玻璃窗的εr約為8，PCB的FR4材料的εr約為4，而白色家電中常用的耐熱玻璃的εr大約為5。在本例中，采用標(biāo)準(zhǔn)的窗戶玻璃。需要注意的是，在PCB上貼有玻璃紙，即3M公司的468-MP絕緣膠膜。

電容式傳感系統(tǒng)101

該電容式傳感系統(tǒng)的基本元件包括：一個可編程電流源、一個精密模擬比較器和一根用來按順序傳輸一組電容式傳感器信號的多路復(fù)用總線。在本文所討論的系統(tǒng)中，一個弛張振蕩器起著電容傳感器的作用。該振蕩器的簡化電路示意圖如圖2所示。

圖2：電容式傳感弛張振蕩器電路。(online)