接觸電容式感應(yīng)接口電路設(shè)計(jì)分析

電容式感應(yīng)正在越來越多地應(yīng)用于我們的日常生活。優(yōu)雅時(shí)尚的電容式感應(yīng)界面越來越廣泛地應(yīng)用在便攜媒體播放器(PMP)、手機(jī)、計(jì)算機(jī)、POS終端和其它家用電子設(shè)備上，如今又開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。

但到底什么是電容式感應(yīng)呢?電容式感應(yīng)是一種以觸摸操作為基礎(chǔ)的感應(yīng)形式。作為傳統(tǒng)機(jī)械式按鈕和滑動(dòng)觸頭的一種替代技術(shù)，電容式感應(yīng)技術(shù)還可以用于設(shè)計(jì)觸摸屏、觸摸板和接近感應(yīng)裝置。這項(xiàng)技術(shù)并不感應(yīng)按鈕的具體狀態(tài)，而是用于檢測導(dǎo)電物體是否存在，許多情況下，用戶的手指就是這個(gè)導(dǎo)電物體。

觸摸操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式

之所以采用觸摸操作系統(tǒng)，其原因有幾種。基本原因之一是為了獲得更高的可靠性和耐久性。例如，公共信息亭內(nèi)的按鈕要承受大量不當(dāng)?shù)氖褂煤皖l繁的操作。機(jī)械式按鈕會(huì)很容易磨損并導(dǎo)致故障發(fā)生。而更換按鈕和修理機(jī)械式傳感器將會(huì)增加總系統(tǒng)成本。而使用觸摸操作系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)更為耐用，從長期角度來說，能夠減少總成本。觸摸操作系統(tǒng)還可以擁有更多靈活性，因?yàn)樗陌粹o可以用于多項(xiàng)功能。例如，在傳統(tǒng)的工業(yè)鍵盤上，機(jī)械式按鈕實(shí)際上只能執(zhí)行單項(xiàng)功能，或者只能代表規(guī)定好的某個(gè)菜單選項(xiàng)。而在使用觸摸屏?xí)r，因?yàn)轱@示可以連續(xù)改變，所以可以采用更多方式來設(shè)計(jì)界面。唯一的限制只是設(shè)計(jì)方案的需要而巳。同樣的道理，由于單個(gè)按鈕可以應(yīng)用于多種用途，觸摸操作系統(tǒng)就能夠在更小的空間內(nèi)擁有更多的功能。最后，觸摸操作系統(tǒng)與機(jī)械式按鈕相比的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是：它可以改善最終用戶的體驗(yàn)。基于觸摸操作的解決方案通常更為直觀易懂并且方便用戶使用。

觸摸操作系統(tǒng)可以采用多種不同方式來實(shí)現(xiàn)。其中包括采用電阻膜、紅外傳感器，甚至是表面聲波。我們有如此之多的備選方案，為何要采用電容式感應(yīng)呢?首先，是靈敏度的問題。電容式感應(yīng)能夠在感應(yīng)到手指存在時(shí)啟用，而無需電阻膜所要求的觸摸筆或壓力。其次，是耐久性的問題。正如以前提到過的，由于基于觸摸的解決方案沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此它比機(jī)械式按鈕和開關(guān)更為經(jīng)久耐用。而在各種基于觸摸的解決方案中，電容傳感器擁有極其優(yōu)秀的耐久性。紅外解決方案會(huì)受到表面污染物的不良影響，而電容式感應(yīng)技術(shù)對(duì)環(huán)境因素具有較強(qiáng)的耐受性。最后，足靈活性的問題。由于電容式感應(yīng)可以采用多種外覆層材料，并可以采用不同水平的分辨率和精確度，因此不會(huì)僅限于某些特定應(yīng)用領(lǐng)域。電容式感應(yīng)可以應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，如移動(dòng)手機(jī)、MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)，也可以應(yīng)用于工業(yè)或家用電器，如冼衣機(jī)或信息亭。

電容式感應(yīng)的工作原理

那么，電容式感應(yīng)的工作原埋是什么呢?下面的示意圖顯示了1個(gè)電容式感應(yīng)按鈕的橫截面。如圖所示，在外覆層材料之下，存在導(dǎo)電的銅塊區(qū)域和導(dǎo)電的傳感器。在2個(gè)導(dǎo)電元件相互之間靠得很近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電容值，本圖中標(biāo)為Cp，這個(gè)電容值是由于傳感器墊板與接地板之間的耦合現(xiàn)象而形成的。Cp屬于寄生電容，典型數(shù)量級(jí)任10pF至300pF。傳感器與接地板靠近時(shí)也會(huì)形成一個(gè)邊緣電場，這個(gè)電場能夠穿透外覆層?；旧希梭w組織也屬于導(dǎo)電體。將一根手指放存邊緣電場附近時(shí)，就會(huì)增加這個(gè)電容系統(tǒng)的導(dǎo)電表面面積。

但是，這個(gè)在圖中標(biāo)為CF的附加手指電容值的數(shù)量級(jí)在0.1pF至10pF。雖然一根于指的存在會(huì)導(dǎo)致電容發(fā)生變化，但與寄生電容相比，該變化的幅度是相當(dāng)小的。而傳感器的測得電容值稱為CX。在沒有手指存在的情況下，CX基本上等于CP。而在于指存在時(shí)，CX則為CP和CF的和。

圖1 手指電容值

電容式感應(yīng)的設(shè)計(jì)方案

在我們了解了電容式感應(yīng)的工作原理后，如何開始設(shè)計(jì)某一特定產(chǎn)品的電容式感應(yīng)界面呢?我們重點(diǎn)要考慮到設(shè)計(jì)方案的需要。這個(gè)產(chǎn)品將用在什么地方?使用環(huán)境嚴(yán)苛嗎?這項(xiàng)設(shè)計(jì)中最重要的因素是電池的使用時(shí)間還是產(chǎn)品的耐久性?不同的因素對(duì)設(shè)計(jì)方案的影響也各不相同。

根據(jù)正在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品類型，功耗可能是關(guān)鍵因素，也可能不是關(guān)鍵因素。例如，在由電池供電的手持設(shè)備上，功耗具有極為重要的意義。而一種對(duì)整體平均功耗即電池使用時(shí)間進(jìn)行控制的方式是設(shè)立3個(gè)不同的工作區(qū)域。一個(gè)工作區(qū)域是快速響應(yīng)區(qū)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)傳感器每200微秒掃描一次。系統(tǒng)會(huì)在按鈕和滑動(dòng)觸摸處于連續(xù)操作狀態(tài)下進(jìn)入這一區(qū)域。在操作很少或無操作時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)入一個(gè)慢速響應(yīng)區(qū)，將掃描頻率減少到大約每100毫秒1次。最后，如果在很長時(shí)間內(nèi)沒有操作，則系統(tǒng)可以進(jìn)入深度休眠模式，從而節(jié)省電力。通過實(shí)現(xiàn)節(jié)能、慢速響應(yīng)模式，在便攜手持設(shè)備每100秒掃描3個(gè)按鈕的情況下，系統(tǒng)的耗電量可以低于50μA的平均電流。

在當(dāng)今的電子產(chǎn)品領(lǐng)域，噪聲也成為另-項(xiàng)重要的考慮因素。各類感應(yīng)噪聲，諸如來自電力線路的噪聲，以及來自移動(dòng)手機(jī)或日光燈的輻射噪聲，無時(shí)無刻不存在，所以必須加以考慮。為了進(jìn)行有效防范，我們的目標(biāo)是增加信噪比，并消除虛假觸摸響應(yīng)。

在設(shè)計(jì)信噪比、耐久性、靜電放電抵抗力以及精確度時(shí)，所選擇的外覆層材料以及外覆層厚度具有很大的影響。而且，在考慮材料的類型和厚度時(shí)，必須根據(jù)產(chǎn)品的需要，在許多方面采取折衷方式。隨著外覆層材料厚度的增加，信號(hào)和噪聲兩方面均會(huì)減少。但是，外覆層材料越厚，則對(duì)于靜電放電的抵抗力就越強(qiáng)。人體的靜電電壓可以高達(dá)15 KV，而電容式感應(yīng)系統(tǒng)的外覆層有助于避免集成電路在遭受此類靜電放電時(shí)發(fā)生永久性損壞。另一種解決方法是，使用一層聚酰亞胺(Kapton)帶，這種材料在需要超強(qiáng)靜電放電保護(hù)的應(yīng)用中能夠發(fā)揮良好的作用。當(dāng)然，外覆層越厚，也就越不容易破裂或者遭到破壞。

CapSense解決方案

一種能夠降低設(shè)計(jì)難度的理想方式是采用一種靈活的可編程電容式感應(yīng)解決方案，這種方案還能夠通過調(diào)整以滿足設(shè)計(jì)需要。一項(xiàng)能夠達(dá)到該要求的可編程解決方案就是以PSOC混合信號(hào)陣列架構(gòu)為基礎(chǔ)的賽普拉斯半導(dǎo)體公司的CapSense解決方案。CapSense在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了兩種觸摸感應(yīng)方式，CapSense逐次逼近(CSA)和CapSense增量求和(CSD)，這兩種方式均經(jīng)過了優(yōu)化，因而能夠應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)電容感應(yīng)系統(tǒng)時(shí)所遇到的種種挑戰(zhàn)。CSA和CSD方式均在掃描之間定期更新動(dòng)態(tài)基線，以減少環(huán)境變化帶來的影響。這樣，隨著具體設(shè)備的溫度的變化，基線也隨之進(jìn)行調(diào)整。這種變化趨勢由基線進(jìn)行自動(dòng)追蹤，以抵消溫度和濕度變化帶來的影響。在這種方式下，可編程電容式感應(yīng)解決方案能夠給設(shè)計(jì)者提供更大的有效設(shè)計(jì)區(qū)域，從而能夠滿足設(shè)計(jì)方案中多項(xiàng)因素的要求。