【導讀】電dian容rong式shi觸chu摸mo技ji術shu已yi在zai廣guang泛fan的de應ying用yong領ling域yu取qu得de了le巨ju大da的de進jin展zhan。觸chu摸mo技ji術shu始shi於yu係xi列lie手shou機ji中zhong使shi用yong的de電dian阻zu式shi觸chu摸mo屏ping。由you於yu電dian阻zu式shi觸chu摸mo傳chuan感gan器qi的de響xiang應ying速su度du較jiao慢man，因yin此ci靈ling敏min度du是shi一yi個ge主zhu要yao的de設she計ji考kao慮lv因yin素su。電dian阻zu式shi技ji術shu之zhi後hou是shi電dian容rong式shi觸chu摸mo傳chuan感gan技ji術shu
，基ji於yu觸chu摸mo的de界jie麵mian迅xun速su普pu及ji整zheng個ge市shi場chang。

電dian容rong式shi觸chu摸mo技ji術shu已yi在zai廣guang泛fan的de應ying用yong領ling域yu取qu得de了le巨ju大da的de進jin展zhan。觸chu摸mo技ji術shu始shi於yu係xi列lie手shou機ji中zhong使shi用yong的de電dian阻zu式shi觸chu摸mo屏ping。由you於yu電dian阻zu式shi觸chu摸mo傳chuan感gan器qi的de響xiang應ying速su度du較jiao慢man，因yin此ci靈ling敏min度du是shi一yi個ge主zhu要yao的de設she計ji考kao慮lv因yin素su。電dian阻zu式shi技ji術shu之zhi後hou是shi電dian容rong式shi觸chu摸mo傳chuan感gan技ji術shu
，基ji於yu觸chu摸mo的de界jie麵mian迅xun速su普pu及ji整zheng個ge市shi場chang。

電dian容rong式shi傳chuan感gan技ji術shu的de原yuan理li是shi，隻zhi要yao觀guan察cha到dao觸chu摸mo或huo物wu體ti表biao麵mian環huan境jing發fa生sheng任ren何he其qi他ta變bian化hua，就jiu會hui改gai變bian物wu體ti特te定ding區qu域yu的de介jie電dian特te性xing。這zhe反fan過guo來lai又you改gai變bian了le檢jian測ce到dao的de電dian容rong，該gai電dian容rong被bei檢jian測ce為wei電dian壓ya的de變bian化hua。與yu使shi用yong電dian阻zu式shi觸chu摸mo檢jian測ce到dao的de變bian化hua相xiang比bi，電dian容rong的de變bian化hua非fei常chang快kuai。通tong過guo增zeng強qiang表biao麵mian物wu體ti的de介jie電dian特te性xing可ke以yi使shi變bian化hua速su度du更geng快kuai。

電容式傳感器可以直接或間接感測多種因素，包括電場、運動、化學性質或加速度
、流體性質
、壓ya力li等deng。傳chuan感gan器qi的de表biao麵mian充chong當dang電dian介jie質zhi周zhou圍wei的de電dian極ji
，在zai檢jian測ce電dian路lu和he激ji勵li電dian壓ya的de幫bang助zhu下xia，能neng夠gou將jiang電dian容rong的de變bian化hua轉zhuan換huan為wei變bian化hua的de電dian壓ya。計ji算suan電dian容rong變bian化hua的de典dian型xing表biao達da式shi由you法fa拉la給gei出chu。它ta是shi一yi米mi
，其qi中zhong 是介電常數， 是相對介電常數，s是表麵積
，d是板之間的距離。這裏類似地，可以根據表麵積特性計算其他對稱表麵。在不對稱電極的情況下，場線可以給出等勢 s 的近似值。

基於電容感應的觸摸模塊包括按鈕、滑塊
、觸控板、接近、觸摸接口、旋轉編碼和許多其他接口組件，可用於取代嘈雜
、笨重的機械按鈕和開關。與機械接口相比
，這不僅縮小了係統板尺寸，還減少了功耗。例如
，功率電容式觸摸界麵通常在 1.8V 至 5V 的電壓範圍內工作
，甚至可以在 0.9V 的電壓下工作，盡管可能會出現靈敏度
、功率要求、誤觸發等方麵的性能問題。

電容式傳感子係統需要圖 2 所示的組件。覆蓋層是 PCB（印刷電路板）組件上設備的頂部接口，暴露給用戶。它是用戶觸摸以執行特定操作的光滑成品表麵。覆蓋層可以是玻璃、木材
、丙烯酸、塑料或任何其他非導電材料。下一個組件是 PCB。PCB 的選擇取決於其介電常數及其帶來的損耗。選項包括適用於低成本應用的 FR4 基板以及適用於可承受額外成本的應用的低損耗 RT Duroid 基板。下一個重要組件是傳感器墊。這是一個敏感元件，其設計和在 PCB 上的放置需要遵循一定的標準。

  
圖 2：電容式傳感子係統的組件。

電容測量可以通過兩種方式進行：互電容和自電容。圖3所示為互電容和自電容的工作原理。

圖 3：自電容和互電容的工作原理（參考https://www.cypress.com/documentation/application-notes/an64846-getting-started-capsense）。

在基於自電容的電容傳感器中，電容是相對於地測量的。通過互電容，Tx 電極元件和 Rx 元件用於檢測觸摸和無觸摸感測。當發生任何觸摸時，信號從 Tx 電極傳遞到 Rx 元件。該信號與互電容成正比。當發生任何觸摸時，互電容會減小
，而自電容會增加。自電容通常在單點觸摸應用（即
，一根手指界麵）中有用，而多點觸摸應用（即
，可以使用多個手指，例如兩指手勢）需要實現互電容。

設計方法

雖然電容式傳感在用戶滿意度方麵提供了令人印象深刻的界麵，但設計人員需要努力保持平穩的性能，同時滿足預算限製。魯棒性、可靠性、可重複性、zhunquexinghelingmindushigongchengshibixuweijiyudianrongshichumodeyingyongtigongdeyixieguanjiantexing。zaibenjiezhong
，womenjiangtaolungongchengshizaixiaofeileiyingyongzhongyouxiaoshixiandianrongshichuangansuoxujiejuedegegewenti。

控製器的選擇

kongzhiqidexuanzeshishejideyigezhongyaofangmian。rujin，shichangshangyouxuduokongzhiqi

，meizhongkongzhiqidouyouzijideteshugongnenghetexing。shiyongyudianrongshichuangandekongzhiqiyingzaixinpianneibujuyoulianghaodemonidianlu，zhizaitigonggao SNR（信噪比）以保持性能和精度。還建議控製器支持信號調理功能
，因為處理電容信號（尤其是基於多點觸控的應用中的電容信號）需要大量信號調理。添加用於信號調節的驅動器、緩衝器或轉換器以及控製器等額外硬件通常不是一個好主意，因為這些組件會影響路徑噪聲和損耗，並增加物料清單 (BOM) 成本。

PSoC（可編程片上係統）控製器在信號調理電路（例如運算放大器和 TIA（跨阻放大器））中集成了電容式傳感功能。這些使工程師能夠直接將傳感器與控製器連接，而無需額外的硬件。

dianrongshichuanganduishuiheshiqiyefeichangmingan。zhekenenghuiyingxiangxiyijihebingxiangdengxuyaofangchaodeyingyongdexingnenghekekaoxing。shuiyouqizishendejiedianchangshu
，tahuizengjiadianrongbingzuaidianrongxiaoying
，yincikongzhiqitongguoshichuanganqifangshuilaizhichinaishuixingfeichangzhongyao。

通過使用性能較低的處理器並傳輸模擬傳感器數據和電容測量值以進行離線處理
，許多消費類係統可以設計得更低成本。如今，BLE（低功耗藍牙）傳輸通常用於將數據傳輸到基於 Android 或 iOS 的應用程序。其他應用程序可能需要使用替代無線技術，例如 Wi-Fi、ZigBee 或 WiMax。集成了無線功能支持的控製器可以大大簡化設計。

調優技術和固件功能

對(dui)於(yu)使(shi)用(yong)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)的(de)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)，調(tiao)整(zheng)模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)設(she)計(ji)階(jie)段(duan)步(bu)驟(zhou)。電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)精(jing)度(du)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)取(qu)決(jue)於(yu)環(huan)境(jing)的(de)介(jie)電(dian)常(chang)數(shu)和(he)觸(chu)摸(mo)環(huan)境(jing)。設(she)備(bei)的(de)設(she)計(ji)需(xu)要(yao)使(shi)其(qi)能(neng)夠(gou)在(zai)潮(chao)濕(shi)、寒冷
、炎熱和下雪的環境中動態運行。這可以通過調整固件中的傳感器來實現。

調節可以是手動的或自動的（即由微控製器支持）。自zi動dong調tiao諧xie技ji術shu避bi免mian了le逐zhu步bu調tiao諧xie傳chuan感gan器qi的de耗hao時shi且qie繁fan瑣suo的de過guo程cheng。手shou動dong調tiao整zheng對dui於yu構gou建jian數shu量liang較jiao少shao的de應ying用yong來lai說shuo很hen方fang便bian，因yin為wei它ta不bu需xu要yao大da量liang的de軟ruan件jian
，盡jin管guan有you許xu多duo因yin素su需xu要yao跟gen蹤zong，包bao括kuo信xin噪zao比bi、材料的介電常數、覆蓋層的厚度、靈敏度和響應時間。靈活的控製器將支持手動和自動調整功能，使工程師能夠促進大規模生產和有限構建。

執行智能信號處理算法還需要良好的固件功能。考慮到調節電容係統的複雜性
，控製器得到全麵設計環境的支持非常重要。例如，PSoC Creator 是一個集成開發環境，允許開發人員設計具有複雜信號處理功能應用程序的電容式傳感模塊，而無需編寫複雜的代碼。

選擇疊加和固定

覆蓋層不僅決定了終產品的美觀，還決定了其傳感功能的靈敏度。圖 4 顯示了采用電容傳感技術的係統中使用的各種類型的覆蓋層，例如木材、丙bing烯xi酸suan或huo玻bo璃li。實shi驗yan表biao明ming
，所suo有you這zhe些xie疊die加jia都dou需xu要yao進jin行xing調tiao整zheng才cai能neng可ke靠kao地di實shi現xian。由you於yu固gu定ding問wen題ti而er導dao致zhi的de覆fu蓋gai識shi別bie等deng問wen題ti在zai消xiao費fei者zhe應ying用yong中zhong常chang見jian。

圖 4：采用電容傳感技術的覆蓋層。

電容隨基板和電極之間的氣隙而變化。如果覆蓋層的固定正確
，變化的氣隙可能會影響整個係統的性能和靈敏度。吸盤、cixingduizhunhejixiegudingshixiaofeixingyezhongyongyufangzhicileiwentideyixiebiaozhunjishu。fugaicengdehouduyeshiyigezhongyaocanshu，yinweihouduyudianronghelingminduchengzhengbi。congzhengtichanpindejiaodulaikan，fugaicengdecailiao
、表麵處理和美觀是重要的參數。生產用於大規模生產的基於覆蓋的產品是消費應用中的設計和製造挑戰。

傳感器元件的放置和接地技術

一般來說，PCB 的地平麵應該是一致的。由於噪聲分布均勻，因此地麵噪聲減少。然而，這也會增加寄生電容 (CP)，從而影響基於電容傳感的應用。CP是與傳感器走線直接相關的主要因素。CP 的增加增加了布局的難度
，因為設計者必須更加謹慎，不要引入其他寄生效應。實際上

，這限製了設計者對軌跡追蹤的容忍度。

因(yin)此(ci)，對(dui)於(yu)基(ji)於(yu)電(dian)容(rong)的(de)應(ying)用(yong)
，有(you)必(bi)要(yao)選(xuan)擇(ze)散(san)列(lie)模(mo)式(shi)接(jie)地(di)層(ceng)而(er)不(bu)是(shi)統(tong)一(yi)接(jie)地(di)層(ceng)。傳(chuan)感(gan)器(qi)墊(dian)不(bu)應(ying)有(you)任(ren)何(he)其(qi)他(ta)電(dian)氣(qi)軌(gui)道(dao)或(huo)金(jin)屬(shu)在(zai)其(qi)任(ren)何(he)層(ceng)中(zhong)移(yi)動(dong)。圖(tu) 5 證明了這一理論。

圖 5：電容式傳感器孵化板的 PCB 結構。

電路板技術的選擇也是影響CP的重要因素。據觀察，在大多數產品中，柔性材料是連接傳感器與電路的材料，因為它對係統的 CP 影響較小。總電容是人體觸摸電容、PCB 電容（對於基於 FR4 或 Flex 的 PCB 不同）、PCB 走線電容以及添加到係統的其他寄生效應的總和。因此，調整成為設計周期中的必要階段。

通過為電容傳感器提供適當的屏蔽（即接地層），可以避免電容傳感器的誤觸發、EMI 和 EMC 噪聲以及其他不良影響。圖 6 顯示了電容刺激響應情況的橫截麵圖。

圖 6：電容焊盤的橫截麵和布局技術。

物料清單優化

BOM優化也是產品設計的重要標準。複雜的機械設計
、外殼和光滑的覆蓋層以增加美觀性也往往會增加 BOM 成本。例如，采用 RT Duroid 基板
、玻璃覆蓋層和時尚的外殼肯定會產生業界的產品。然而，設備成本的增加可能會導致市場失敗。

結論

從工作原理
、設計和應用角度討論了麵向消費類應用的電容式傳感技術。電容式觸摸技術的分析涉及其調整、組件選擇、布(bu)局(ju)標(biao)準(zhun)以(yi)及(ji)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)中(zhong)觀(guan)察(cha)到(dao)的(de)各(ge)種(zhong)其(qi)他(ta)問(wen)題(ti)以(yi)及(ji)一(yi)些(xie)可(ke)能(neng)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。使(shi)用(yong)集(ji)成(cheng)了(le)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)功(gong)能(neng)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)產(chan)品(pin)成(cheng)本(ben)和(he)複(fu)雜(za)性(xing)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)設(she)備(bei)性(xing)能(neng)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)。

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