自從電容觸摸技術進入市場以來，它已經廣泛地進入了廣泛的應用領域。觸摸技術始于第一批移動電話中使用的電阻式觸摸屏。靈敏度是主要的設計考慮因素，因為電阻式觸摸傳感器的響應速度很慢。電阻技術緊隨其后的是電容式觸摸感應技術，基于觸摸的界面在整個市場中迅速普及。

電容感測技術基于以下原理：只要觀察到觸摸或物體表面環境發生任何其他變化，它就會改變物體在特定區域內的介電特性。這進而改變了所檢測到的電容，該電容被感測為電壓變化。與使用電阻式觸摸檢測到的變化相比，電容的變化非常快。通過提高表面物體的介電性能，可以更快地改變變化速度。

電容式傳感器可以直接或間接感應各種因素，包括電場，運動，化學性質或加速度，流體性質，壓力等。傳感器的表面充當電介質周圍的電極，借助檢測電路和激勵電壓，該電介質能夠將電容的變化轉換為變化的電壓。法拉德給出了計算電容變化的典型表達式。它是一個表，其中絕對介電常數，相對介電常數，s是表面積和d是板之間的距離。這里

類似地，可以根據表面積特性來計算其他對稱表面。在電極不對稱的情況下，場線可以給出等電位s的近似值

基于電容感應的觸摸模塊包括按鈕，滑塊，觸控板，接近度，觸摸界面，旋轉編碼和許多其他界面組件，這些組件可用來代替嘈雜，笨重的機械按鈕和開關。與機械接口相比，這不僅縮小了系統板的尺寸，而且減少了功耗。例如，電容性觸摸界面通常在1.8 V至5 V的電壓下工作，甚至可以在0.9 V的電壓下工作，盡管在靈敏度，電源要求，錯誤觸發等方面可能會出現性能問題。

電容感測子系統需要圖2所示的組件。覆蓋層是PCB（印刷電路板）組件上暴露于用戶的設備的頂部接口。它是用戶觸摸以執行特定操作的光滑表面。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。選擇PCB時要考慮其介電常數和它所帶來的損耗。選件包括用于低成本應用的FR4基板以及可承受額外成本的用于應用的低損耗RT Duroid基板。下一個重要的組件是傳感器墊。這是一個敏感的組件，在設計和將其放置在PCB上時需要滿足某些條件。

圖2：電容式感應子系統的組件。

電容測量可以通過兩種方式進行：互電容和自電容。圖3顯示了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

在基于自電容的電容式傳感器中，電容是相對于地面測量的。具有互電容，Tx電極元件和Rx元件用于檢測觸摸和不檢測觸摸。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。因此，當發生任何觸摸時，互電容減小，而自電容增大。自電容通常在單點觸摸應用程序（即一個手指界面）中有用，而多點觸摸應用程序（即可以使用多個手指，例如兩個手指手勢）需要互電容。

設計方法論

盡管電容感測在用戶滿意度方面提供了令人印象深刻的界面，但設計人員需要努力工作以在滿足預算限制的同時保持流暢的性能。健壯性，可靠性，可重復性，準確性和靈敏性是工程師必須為基于電容式觸摸的應用提供的一些關鍵功能。在本節中，我們將討論工程師需要解決的各個問題，以有效地在消費類應用中實現電容感應。

選擇控制器

控制器的選擇是設計的重要方面。如今，市場上有許多控制器可用，每個控制器都有其自己的特殊功能。適用于電容感應的控制器應在芯片內部具有良好的模擬電路，以提供高SNR（信噪比）以保持性能和準確性。還建議控制器支持信號調理功能，因為處理電容性信號（尤其是基于多點觸摸的應用中的電容性信號）需要大量的信號調理。在驅動器，緩沖器或轉換器等方面與控制器一起添加額外的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，并增加物料清單（BOM）成本。

PSoC（可編程片上系統）控制器具有集成的電容式感應功能，以及諸如運放和TIA（跨阻抗放大器）之類的信號調理電路。這些使工程師能夠直接將傳感器與控制器接口，而無需其他硬件。

電容感應對水和濕氣也非常敏感。這可能會影響洗衣機和冰箱等預期防潮的應用的性能和可靠性。水有其自己的電容率，電容率加起來并阻礙電容作用，因此，重要的是，控制器必須使傳感器防水，以支持防水性。

通過使用性能較低的處理器并傳輸模擬傳感器數據和電容測量以進行脫機處理，可以將許多消費類系統設計為降低成本。如今，BLE（藍牙低功耗）傳輸通常用于將數據傳輸到基于Android或iOS的應用程序。其他應用程序可能需要使用其他無線技術，例如Wi-Fi，ZigBee或WiMax。集成了無線功能支持的控制器可以大大簡化設計。

調整技術和固件功能

對于使用電容式感應的系統，調整模擬傳感器是重要的設計階段。電容感測精度在很大程度上取決于環境的介電常數和所經受的觸摸環境。需要對設備進行設計，以便它們可以在潮濕，寒冷，炎熱和多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。

調整可以是手動的也可以是自動的（即，由微控制器支持）。自動調整技術避免了分步調整傳感器的耗時且繁瑣的過程。手動調整對于構建數量較少的應用程序非常方便，因為它不需要大量的軟件，盡管要跟蹤許多因素，包括SNR，材料的介電常數，覆蓋層的厚度，靈敏度和響應時間。靈活的控制器將同時支持手動和自動調整功能，從而使工程師能夠促進批量生產以及有限的構建。

還需要良好的固件功能來執行智能信號處理算法?？紤]到電容系統調諧的復雜性，重要的是要有一個全面的設計環境來支持控制器。例如，PSoC Creator是一個集成開發環境，允許開發人員設計具有復雜信號處理能力的應用的電容式感應模塊，而無需對復雜代碼進行編程。

覆蓋物和固定物的選擇

覆蓋層不僅決定了最終產品的美觀性，而且還定義了其感應功能的靈敏度。圖4顯示了在采用電容式感應技術的系統中使用的各種類型的覆蓋層，如木材，丙烯酸或玻璃。實驗表明，所有這些覆蓋圖都需要進行調整才能可靠地實現。由于固定問題而導致的諸如覆蓋識別之類的問題最常在消費者應用程序中觀察到。

圖4：與電容式感應技術一起使用的覆蓋層。

電容隨基板和電極之間的氣隙而變化。如果正確完成覆蓋層的固定，則變化的氣隙可能會影響整個系統的性能和靈敏度。吸帶，磁對準和機械固定是消費行業中用于防止此類問題的一些標準技術。覆蓋層的厚度也是一個重要的參數，因為該厚度與電容以及靈敏度成正比。從整體產品的角度來看，覆蓋層的材料，其飾面和美觀度是重要的參數。生產用于大規模生產的基于覆蓋的產品是消費者應用中的設計和制造挑戰。

傳感器元件的放置和接地技術

通常，PCB的接地層應始終保持統一。由于噪聲的均勻分布，因此可降低地面噪聲。但是，這也會增加寄生電容（CP），這會影響基于電容感測的應用。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，因為設計人員必須更加謹慎并且不要引入其他寄生效應。實際上，這限制了設計人員進行軌跡跟蹤的公差。

因此，對于基于電容的應用，必須選擇散列圖案接地平面，而不是均勻的接地平面。傳感器墊的任何一層都不應有任何其他電氣走線或金屬在周圍移動。圖5證明了這一理論。

圖5：電容式傳感器溫育板的PCB結構。

電路板技術的選擇也是可能影響CP的重要因素。在大多數產品中，已經觀察到柔性材料是用于將傳感器與電路連接的首選材料，因為它對系統的CP較低?？傮w電容是人體觸摸電容，PCB電容（對于基于FR4或Flex的PCB有所不同），PCB走線電容以及添加到系統中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。

最后，通過為電容式傳感器提供適當的屏蔽（即接地層），可以避免錯誤觸發電容式傳感器，EMI和EMC噪聲以及其他不良影響。圖6示出了響應于電容性刺激而發生的情況的橫截面圖。

圖6：電容焊盤的橫截面和布局技術。

BOM優化

BOM優化也是產品設計的重要標準。復雜的機械設計，外殼和光滑的覆層，以增加美觀度，也往往會增加BOM成本。例如，使用RT Duroid基板，玻璃覆蓋物和光滑的外殼肯定會帶來行業最佳的產品。但是，設備成本增加可能會導致市場失靈。

結論

針對消費類應用的電容式感應技術，從其工作原理，設計和應用方面進行了討論?？紤]了電容式觸摸技術的調整，元件選擇，放置標準以及各種其他問題，這些問題在設計周期中得到了觀察，并給出了一些可能的解決方案。使用集成了電容感應功能的控制器，可以降低產品成本和復雜性，從而提高設備性能和可靠性。

作者：印度班加羅爾Ronak Desai 賽普拉斯半導體公司的Nishant Mittal

編輯：hfy