面向手持移動(dòng)設(shè)備的觸摸傳感技術(shù)

智能手機(jī)等新型消費(fèi)電子產(chǎn)品使得觸摸屏開(kāi)始風(fēng)靡，觸摸傳感器提供方便的控制方式，幾乎可用于控制任何類型的設(shè)備。

觸摸傳感控制器目前提供一些通用的性能選項(xiàng)和形態(tài)，如滑塊和鄰近傳感器。觸摸傳感器技術(shù)的進(jìn)步使傳感器驅(qū)動(dòng)型接口更易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)終端用戶更為直觀和簡(jiǎn)單。

大多數(shù)觸摸傳感控制器依據(jù)所檢測(cè)到的電容變化來(lái)工作(見(jiàn)圖1)――當(dāng)某種物體或某個(gè)人接近或觸摸傳感器的導(dǎo)電金屬片時(shí)，手指與金屬片之間的電容發(fā)生變化。導(dǎo)電物體(如手指)在傳感器附近移動(dòng)將改變電容傳感器的電場(chǎng)線并使電容發(fā)生變化?？刂齐娐房蓽y(cè)出電容的變化。

工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)從多年前開(kāi)始就使用這種電容檢測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量液位、濕度和材料成份。這種從這些應(yīng)用發(fā)展而來(lái)的技術(shù)逐漸演化成人機(jī)接口。

觸摸傳感器接口通常通過(guò)測(cè)量與傳感器墊片相連的電路的阻抗來(lái)檢測(cè)電容變化。觸摸控制器周期性地測(cè)量傳感器輸入通道的阻抗并用這些值來(lái)導(dǎo)出一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)，即校準(zhǔn)阻抗?？刂破饕赃@個(gè)阻抗值為基礎(chǔ)判定是否發(fā)生了觸摸事件。

下面的簡(jiǎn)化公式表明了手指逼近對(duì)觸摸墊片電容產(chǎn)生的主要影響。這個(gè)公式可用于確定傳感器墊片的電容和強(qiáng)度。

* C表示電容，單位為法拉

* A是單個(gè)金屬墊片的面積，單位為平方米

* εr是金屬墊片間材料的相對(duì)靜態(tài)介電常數(shù)(真空=1)

* ε0是自由空間的介電常數(shù)=8.854×10(SUP/)-12(/SUP)F/m

* D是板之間的距離或間隔，單位為米。

另外，觸摸強(qiáng)度隨壓力、觸摸面積或電容的增加而增大。D減小等價(jià)于電容增大或觸摸強(qiáng)度增大。

這個(gè)方程表明，覆膜厚度及其介電常數(shù)對(duì)觸摸強(qiáng)度影響很大。該方程還表明，電容傳感器本質(zhì)上對(duì)周?chē)h(huán)境和觸摸激勵(lì)的特性敏感――不管觸摸來(lái)自手指、乙烯基、橡膠、棉花、皮革或水(見(jiàn)圖1)。

圖1：觸摸靈敏度依賴于覆膜材料、墊片尺寸和厚度。

表1列出了各種常用覆膜材料的介電常數(shù)。我們可以基于這些值來(lái)考察觸摸傳感器在廚房中的應(yīng)用，因?yàn)樵趶N房中這些傳感器很容易濺上食用油。

表1：介電常數(shù)。

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(shí)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(duì)傳感器的操作沒(méi)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(duì)于使用數(shù)字觸摸檢測(cè)技術(shù)(如ATLab公司開(kāi)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(shù))的觸摸傳感器來(lái)說(shuō)，由于傳感器墊片和濺上的液體都沒(méi)有接地，濺上這些液體不會(huì)引起任何異常行為。

盡管觸摸傳感器的操作細(xì)節(jié)和接口依賴于具體的應(yīng)用，一般來(lái)說(shuō)，容性傳感器接口電路和檢測(cè)方法有模擬和數(shù)字兩種類型。一種模擬技術(shù)是測(cè)量頻率或工作周期，這些量因?yàn)樵谑种负偷刂g引入額外的電容而發(fā)生變化(見(jiàn)圖2)。

圖2： 模擬觸摸方案；由于需使用參考地，可能會(huì)受到水滴的影響。

利用這種技術(shù)和高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可以把測(cè)到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。得益于混合信號(hào)技術(shù)的進(jìn)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(gè)缺點(diǎn)是容性傳感器可能會(huì)受到難以捉摸的噪聲、串?dāng)_、耦合的影響。另外，傳感器輸出的動(dòng)態(tài)范圍受到電源電壓的限制，而隨著半導(dǎo)體制造技工藝節(jié)點(diǎn)的縮小該電源電壓在不斷降低。

如果使用深亞微米CMOS技術(shù)把傳感器電路與復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理模塊集成到相同的基底上，情況會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。為避免外部干擾，該器件可能會(huì)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(chǔ)器開(kāi)銷和性能開(kāi)銷。

全數(shù)字傳感方法(見(jiàn)圖3)可避免與模擬方法有關(guān)的問(wèn)題。數(shù)字方法通過(guò)使電容成為RC延時(shí)線的一部分來(lái)檢測(cè)傳感器電容的變化。

圖3：數(shù)字觸摸方案；在存在水滴時(shí)仍具有魯棒的性能。

圖3中簡(jiǎn)單的全數(shù)字型時(shí)間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)測(cè)量該延時(shí)線相對(duì)于基準(zhǔn)RC延時(shí)線的差并輸出阻抗的變化。寄生電容對(duì)RC延時(shí)的影響可通過(guò)加電補(bǔ)償來(lái)消除。

手指碰到傳感器墊片使電容增大進(jìn)而提高了RC延時(shí)時(shí)間并導(dǎo)致阻抗變化。把這個(gè)阻抗與校準(zhǔn)阻抗對(duì)比可確定是否發(fā)生了觸摸事件。該傳感方案很容易通過(guò)調(diào)整RC延時(shí)線的電阻來(lái)改善性能。