電容式觸摸傳感器

在現(xiàn)有的電子元器件中，開關(guān)可以說是最基本的元器件之一。向?qū)W生演示電流如何流動(dòng)的第一個(gè)電路通常就是使用開關(guān)和燈。工程師可以使用的開關(guān)技術(shù)多種多樣，每種技術(shù)都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)。

控制電網(wǎng)電源往往會(huì)選擇大型機(jī)電開關(guān)，因?yàn)樗鼈儾捎煤?jiǎn)單的機(jī)械設(shè)計(jì)（如杠桿作用）即可處理高電壓和大電流，而尺寸較小的按鈕則適合用于最多處理幾伏電壓且需要低成本、簡(jiǎn)單解決方案的消費(fèi)電類子產(chǎn)品。

不過，用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的機(jī)電開關(guān)也面臨一些挑戰(zhàn)，包括有限的機(jī)械和電氣生命周期（尤其是對(duì)于公用設(shè)備，例如芯片和PIN讀卡器）。

工業(yè)控制應(yīng)用開關(guān)也面臨重重挑戰(zhàn)。潮濕、多塵或腐蝕性環(huán)境會(huì)損壞內(nèi)部觸點(diǎn)并堵塞操縱桿和執(zhí)行器。這些開關(guān)由于觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧甚至有可能點(diǎn)燃易爆環(huán)境。這種情況下，即便是最小、最簡(jiǎn)單的開關(guān)也需要高IPX等級(jí)，確保它們完全密封，不受周圍環(huán)境影響。

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，電容式觸摸傳感器受到了工程師的青睞，它們?yōu)殚_關(guān)提供沒有移動(dòng)部件、具有多觸點(diǎn)功能，并且可輕松實(shí)現(xiàn)環(huán)境密封的優(yōu)秀選項(xiàng)。雖然電容式觸摸傳感器在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中極其流行，但它們也并非完美無瑕；希望使用這些傳感器的工程師需要了解它們的工作原理、可能存在的障礙以及克服這些障礙的方法。

了解電容式觸摸傳感器

簡(jiǎn)單地說，電容式觸摸傳感器就像開關(guān)一樣，在檢測(cè)到電容變化時(shí)立即激活。大多數(shù)其他開關(guān)技術(shù)依賴于機(jī)械動(dòng)作，但電容式觸摸傳感器只需手指或觸控筆就可激活，不論施加的壓力大?。ūM管這個(gè)參數(shù)通常可以調(diào)整）。

電容式觸摸傳感器的工作原理如下：在正常情況下，兩個(gè)表面板之間的電介質(zhì)是空氣。當(dāng)手指取代空氣時(shí)，介電材料發(fā)生變化，這將顯著降低整體電容。

電容式觸摸傳感器非常適合用于需要防塵、防污和防油的密封環(huán)境應(yīng)用。例如，廚房經(jīng)常受食物和灰塵浸漬，這可能會(huì)迅速損壞機(jī)電開關(guān)。而電容式觸摸傳感器不僅不易損壞，而且還方便擦拭，能提供更衛(wèi)生的界面。

對(duì)于打算用于易爆環(huán)境的工業(yè)設(shè)備來說，這種密封傳感器的能力也非常有優(yōu)勢(shì)。普通機(jī)電開關(guān)在接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，火花的大小取決于所使用的電壓和電流。如果這些開關(guān)密封不當(dāng)，可能會(huì)點(diǎn)燃易爆環(huán)境。而電容式觸摸傳感器因?yàn)榭梢酝耆芊?，所以爆炸風(fēng)險(xiǎn)幾乎為零。

電容式觸摸傳感器的另一個(gè)潛在應(yīng)用是需要更高機(jī)械周期數(shù)的設(shè)備。盡管機(jī)電開關(guān)的機(jī)械生命周期可達(dá)數(shù)百萬次，但某些應(yīng)用還需要更高的周期數(shù)，如公交站的支付終端。電容式觸摸傳感器由于不存在機(jī)械部件，因此實(shí)際上不會(huì)有長(zhǎng)期的機(jī)械磨損。

最后，電容式觸摸傳感器非常適合用于自助結(jié)賬屏幕，特別是因?yàn)檫@種表面非常容易清潔，而且不會(huì)損壞電容式觸摸傳感器。自新冠疫情開始以來，這一點(diǎn)愈來愈重要，因?yàn)樽鳛椴《痉揽毓ぷ鞯囊徊糠?，許多組織會(huì)定時(shí)清潔共享觸摸屏表面。

集成電容式觸摸傳感器

在集成電容式觸摸傳感器時(shí)，工程師應(yīng)該牢記幾點(diǎn)，包括電容式觸摸傳感器的類型、功耗、來自附近電子設(shè)備的干擾以及靈敏度。

● 物理特性

電容式觸摸傳感器最常見的類型之一就是安裝在印刷電路板 (PCB) 上。這種類型作為PCB的一項(xiàng)功能整體制造，這是一種極為經(jīng)濟(jì)的界面創(chuàng)建方法。對(duì)于PCB安裝的電容式觸摸傳感器，其設(shè)計(jì)要求相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要頂層有一個(gè)電極柵，周圍有一個(gè)接地平面。市場(chǎng)上的眾多微控制器支持直接讀取這些開關(guān)，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了這類傳感器的設(shè)計(jì)。

在PCB中設(shè)計(jì)電容式觸摸傳感器時(shí)，傳感器的尺寸不應(yīng)超過指尖的平均尺寸;一般來說，PCB中的電容式觸摸傳感器直徑在8mm到20mm之間。如果尺寸太大，傳感器就會(huì)過于敏感，這可能會(huì)導(dǎo)致一種被稱為“指針陰影”的現(xiàn)象，即手或手臂靠近即觸發(fā)傳感器。

● 功率考量因素

機(jī)電開關(guān)是無源元件，不需要電力就能運(yùn)行，而電容式觸摸傳感器則完全是有源的 — 它們需要電力，對(duì)于非常看重能效的應(yīng)用，這可能會(huì)帶來一些挑戰(zhàn)。在工作過程中，電容式觸摸傳感器通過外部電路充電，充電時(shí)間由微控制器計(jì)算。由于充電時(shí)間取決于電容，因此檢測(cè)到手指將會(huì)改變最終的充電時(shí)間 — 軟件中也可檢測(cè)到這一變化。所以，電容式觸摸傳感器既需要充電電流，也需要主動(dòng)掃描傳感器的微控制器。

工程師們采用不同的技術(shù)來降低電容式觸摸傳感器的功耗。最常見的是功率循環(huán)。在這個(gè)階段，電容式觸摸傳感器的檢查頻率較低，以盡量減少能源浪費(fèi)。只有當(dāng)檢測(cè)到手指或觸控筆時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)增加每秒檢查循環(huán)的次數(shù)，以確保準(zhǔn)確性。

另一種降低功耗的技術(shù)需要使用喚醒算法，該算法在將微控制器置于睡眠狀態(tài)下仍可操作電容式觸摸外設(shè)。與功率循環(huán)一樣，該方法在喚醒主處理器之前只定期檢查是否存在手指，以確定采取什么操作。

● 噪聲和干擾

電容式觸摸傳感器的一個(gè)主要缺陷就是容易受噪聲和干擾影響。因此，工程師必須確保盡可能消除或減少干擾源。例如，電源的波動(dòng)很容易給傳感器本身注入噪聲，特別是開關(guān)模式電源和微控制器操作引起的高頻噪聲。因此，電源和微控制器必須有足夠的解耦以及低通濾波器。

外部電磁干擾 (EMI) 是一個(gè)特別麻煩的干擾源，因?yàn)殡娙菔接|摸傳感器較大面板本身也充當(dāng)天線。因此，工程師必須提供足夠的接地平面并保持傳感器電路遠(yuǎn)離嘈雜元件，從而屏蔽傳感器免受嘈雜EMI源的影響。

環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響電容式觸摸傳感器的傳感能力，主要是因?yàn)槭种傅慕殡姵?shù)隨著溫度的變化而變化較大。盡管人類的核心溫度比較穩(wěn)定，但四肢的溫度波動(dòng)大，這些變化導(dǎo)致很難檢測(cè)到手指的存在。同時(shí)，較低的溫度也會(huì)減少皮膚上的水分，從而影響電容式觸摸傳感器的工作表現(xiàn)。

● 靈敏度

電容式觸摸傳感器產(chǎn)生非線性模擬輸出（相對(duì)于簡(jiǎn)單的數(shù)字開/關(guān)輸出），因此它們并非僅可用于簡(jiǎn)單的檢測(cè)。例如，這種非線性輸出可用于確定手指的距離和施加的壓力，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能。

雖然這種非線性特征在某些應(yīng)用中非?？扇。珜?duì)環(huán)境條件的靈敏度可能會(huì)使電容式觸摸傳感器的調(diào)諧非常困難。例如，多塵環(huán)境中的電容式觸摸傳感器將要求提高靈敏度，而潮濕環(huán)境（如潮濕氣候）則可能要求降低傳感器靈敏度。

● 電氣規(guī)格

電容式觸摸傳感器的工作電壓范圍較寬，眾多天然支持電容式觸摸傳感器的微控制器將集成所有必要的電壓驅(qū)動(dòng)器和電流讀取器來操作這些開關(guān)。因此，設(shè)計(jì)工程師通?？梢詫⒆⒁饬性陔娙菔接|摸傳感器的物理尺寸和設(shè)計(jì)上，而無需擔(dān)心電壓電平、總線轉(zhuǎn)換器和其他電氣方面。

● 安裝及布局設(shè)計(jì)

電容式觸摸傳感器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要考慮的設(shè)計(jì)因素包括傳感器的尺寸、接地平面的使用以及覆蓋傳感器的材料。對(duì)工程師而言，幸運(yùn)的是，有大量的深入研究資源描述了傳感器工作所需的不同傳感器設(shè)計(jì)和計(jì)算數(shù)據(jù)。這些資源通常由包含電容式觸摸傳感器外設(shè)的微控制器的制造商發(fā)布。

前面說過，電容式觸摸傳感器必須遠(yuǎn)離嘈雜的EMI源。傳感器周圍的接地也很重要，工程師應(yīng)該考慮整個(gè)設(shè)備的外殼。例如，未接地的金屬外殼會(huì)將噪聲引入電容式觸摸傳感器，使其難以可靠地檢測(cè)按壓動(dòng)作。

● 界面

盡管設(shè)計(jì)工程師可以創(chuàng)建自己的電容式觸摸界面，但借鑒一套現(xiàn)成的解決方案要容易得多。在大多數(shù)情況下，這些微控制器擁有直接驅(qū)動(dòng)電容式觸摸傳感器所需的全部外設(shè)，這不僅消除了對(duì)外部組件的需求，而且還降低了最終設(shè)計(jì)的價(jià)格和尺寸。

● 校準(zhǔn)

校準(zhǔn)是集成電容式觸摸傳感器極其重要的一步。再多的理論和計(jì)算也不可能讓電容式觸摸傳感器不經(jīng)過任何校準(zhǔn)就能在工廠一次性完成設(shè)定；因此，工程師應(yīng)該考慮如何在制造過程中或客戶首次設(shè)置階段執(zhí)行校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)電容式觸摸傳感器的最佳方法就是多次取值，找到平均值，然后添加閾值。只有這樣才能保證每次按下開關(guān)時(shí)都能激活開關(guān)，并且閾值可體現(xiàn)濕度、溫度和碎片的輕微變化。最后，還可以通過以下方法對(duì)高級(jí)手勢(shì)控制進(jìn)行校準(zhǔn)：執(zhí)行多次相同動(dòng)作，記錄數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)取平均值，然后將這些數(shù)據(jù)輸入用于識(shí)別手勢(shì)的算法中，如果使用人工智能 (AI)，則用收集到的原始數(shù)據(jù)訓(xùn)練AI。

結(jié)語

盡管電容式觸摸傳感器可能需要微控制器來操作和屏蔽噪聲源，但其完全固態(tài)設(shè)計(jì)、相對(duì)較低的成本和手勢(shì)支持，使其成為了工業(yè)控制應(yīng)用中傳統(tǒng)機(jī)電開關(guān)的絕佳替代品。本文簡(jiǎn)要介紹了電容式觸摸傳感器及其一些用途和設(shè)計(jì)。有關(guān)更詳細(xì)的信息，請(qǐng)參閱傳感器及其支持微控制器的數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用說明。

作者簡(jiǎn)介

Robin Mitchell是一名電子工程師，自13歲起就涉足電子行業(yè)。在華威大學(xué) (University of Warwick) 獲得學(xué)士學(xué)位后，Robin轉(zhuǎn)入在線內(nèi)容創(chuàng)作領(lǐng)域，潛心創(chuàng)作針對(duì)專業(yè)人士和創(chuàng)客的文章、新聞和項(xiàng)目。目前，Robin經(jīng)營(yíng)著一家提供教育套件和資源的小型電子企業(yè)MitchElectronics。