電容式觸摸傳感器設(shè)計(jì)竅門(mén)

電容式觸摸傳感器設(shè)計(jì)技巧

觸摸傳感器已經(jīng)被廣泛使用很多年了。但近期混合信號(hào)可編程器件的發(fā)展，讓電容式觸摸傳感器已成為各種消費(fèi)電子產(chǎn)品中機(jī)械式開(kāi)關(guān)的一種實(shí)用、增值型替代方案。

典型的電容式傳感器覆蓋層的厚度為3mm或更薄。隨著覆蓋層厚度的增加，手指觸摸的傳感將變得越來(lái)越困難。換句話(huà)說(shuō)，伴隨著覆蓋層厚度的增加，系統(tǒng)調(diào)整過(guò)程將必須從科學(xué)向藝術(shù)發(fā)展。為了說(shuō)明如何制作一個(gè)能夠提升目前技術(shù)極限的電容式傳感器，本文所述的實(shí)例中選用玻璃覆蓋層的厚度為10mm。玻璃使用簡(jiǎn)單，隨處可見(jiàn)，而且是透明的，所以你可以看到下面的感應(yīng)墊。玻璃覆蓋層還可直接應(yīng)用于白色家電。

手指電容

任何電容式觸摸傳感系統(tǒng)的核心都是一組與電場(chǎng)相互作用的導(dǎo)體。人體皮膚下面的組織中充滿(mǎn)了傳導(dǎo)電解質(zhì)---這是一種有損電介質(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(jiǎn)單的平行板電容器有兩個(gè)導(dǎo)體，這兩個(gè)導(dǎo)體之間隔著一層電介質(zhì)。該系統(tǒng)中的大部分能量直接聚集在電容器極板之間。少許能量會(huì)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(chǎng)叫做邊緣場(chǎng)。制作實(shí)用電容式傳感器的部分難題在于需要設(shè)計(jì)一套印刷電路板軌線(xiàn)，來(lái)將邊緣場(chǎng)引導(dǎo)到用戶(hù)易接近的有效感應(yīng)區(qū)域中。平行板電容器不是這種傳感器模式的理想選擇。

當(dāng)把手指放在邊緣電場(chǎng)的附近時(shí)，電容式傳感系統(tǒng)的導(dǎo)電表面積會(huì)增加。由手指所產(chǎn)生的額外電荷存儲(chǔ)容量，就是我們所知的手指電容CF。在本文中，無(wú)手指觸摸時(shí)的傳感器電容用CP來(lái)表示，意指寄生電容。

關(guān)于電容式傳感器人們常有這樣的誤解：為了使系統(tǒng)正常工作，手指必須接地。實(shí)際上，手指之所以被傳感是因?yàn)樗鼛в须姾桑c其是否懸空或接地完全無(wú)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應(yīng)用了本設(shè)計(jì)案例中的一個(gè)電容式傳感器按鍵。

圖1：PCB頂視圖。

這個(gè)按鍵的直徑為10mm，相當(dāng)于一個(gè)成人指尖的平均尺寸。為該演示電路而組裝的PCB帶有4個(gè)按鍵，其中心相隔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(gè)均勻的隔離間隙。該間隙的尺寸是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。如果間隙設(shè)置得過(guò)小，則過(guò)多的電場(chǎng)能量將直接傳遞至地。而如果間隙設(shè)置得過(guò)大，則將無(wú)法控制能量穿越覆蓋層的方式。將間隙尺寸選為0.5mm，可以很好地使邊緣場(chǎng)透過(guò)10mm厚的玻璃覆蓋層。

圖2展示了同一種傳感器模式的截面圖。

圖2：傳感器的PCB和覆蓋層截面圖。

如圖所示，PCB上的一個(gè)過(guò)孔將金屬感應(yīng)墊與電路板底面上的印制導(dǎo)線(xiàn)相連。當(dāng)電場(chǎng)試圖找到最短的接地路徑時(shí)，介電常數(shù)εr將影響進(jìn)入材料中的電場(chǎng)能量的密度。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。本設(shè)計(jì)案例中采用的是標(biāo)準(zhǔn)的窗玻璃。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(gè)可編程電流源、一個(gè)精密模擬比較器和一根用來(lái)按順序傳輸一組電容式傳感器信號(hào)的多路復(fù)用總線(xiàn)。在本文所討論的系統(tǒng)中，一個(gè)弛張振蕩器起著電容傳感器的作用。該振蕩器的簡(jiǎn)化電路示意圖如圖3所示。

圖3：電容式傳感弛張振蕩器電路。

比較器的輸出被送進(jìn)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的時(shí)鐘輸入電路，這個(gè)PWM對(duì)一個(gè)時(shí)鐘頻率為24MHz的16位計(jì)數(shù)器進(jìn)行門(mén)控。傳感器上面的手指使電容增大，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)數(shù)值增加。手指的存在就是基于這一原理來(lái)檢測(cè)到的。圖4展示了該系統(tǒng)的典型波形。

圖4：電容式傳感弛張振蕩器電路的波形。