電容式觸摸傳感技術(shù)的性能優(yōu)化與應用

隨著(zhù)觸摸屏變得越來(lái)越復雜，使用它們進(jìn)行設計變得更具挑戰性。幸運的是，良好設計的規則沒(méi)有改變，并且有許多解決方案可以幫助您應對挑戰。

人機界面（HMI）在過(guò)去幾年中經(jīng)歷了一場(chǎng)革命。機械QWERTY鍵盤(pán)及其相關(guān)鼠標不再受到光滑觸摸屏取代的青睞。人們只需要考慮移動(dòng)手機的發(fā)展，看看制造商如何在放棄鍵盤(pán)時(shí)急于推出具有更大和更好觸摸屏的產(chǎn)品。

觸摸控制多年來(lái)一直用于不那么迷人的應用。例如，支持觸摸的鍵盤(pán)在許多家用電器（如微波爐和洗碗機）中很流行，取代了昂貴且不可靠的機械鍵盤(pán)。觸摸屏已廣泛應用于工業(yè)控制設置中，因為它們非常適合通常遇到的惡劣操作環(huán)境。除了這些優(yōu)點(diǎn)之外，觸摸屏采用的主要動(dòng)機之一是機械部件磨損和損壞使用。例如，雖然鍵盤(pán)和鼠標已被證明是計算機系統相對耐用的HMI，但它們最終會(huì )破壞。骯臟，多塵或潮濕的環(huán)境增加了早期失效的可能性，因為顆粒和水分會(huì )進(jìn)入機械部件并加速磨損。最后，鍵盤(pán)和開(kāi)關(guān)幾乎不是最衛生的設備。雖然這對于工業(yè)或家庭環(huán)境來(lái)說(shuō)可能不是一個(gè)大問(wèn)題，但它肯定是醫療應用中的一個(gè)主要問(wèn)題。

本文將介紹電容式觸摸傳感，這是目前使用的最流行的觸摸屏技術(shù)，以及將描述通過(guò)改善響應和最小化錯誤觸摸來(lái)改善用戶(hù)體驗的設計技術(shù)，其中設備對靠近傳感器按鈕的手指作出反應而不是用戶(hù)的刻意觸摸。

電容式觸摸控制基礎知識

設計人員可以使用多種技術(shù)進(jìn)行觸摸控制，包括電感，電阻和電容。每個(gè)都有其優(yōu)點(diǎn)，特別是消除易磨損的機械部件，但電容式觸摸技術(shù)已被證明是近年來(lái)最受歡迎的。這是因為它提供了來(lái)自傳感器下方顯示器的更高光傳輸 - 與電阻技術(shù)的80％相比超過(guò)90％ - 這對于具有明亮，高分辨率屏幕的智能手機等設備尤其重要。

其他優(yōu)勢包括更快響應，通過(guò)“低壓”觸摸（例如，手指而不是手寫(xiě)筆）激活，處理多個(gè)觸摸的能力，更大的活動(dòng)區域以及更少的磨損易感性。

有幾種類(lèi)型的電容式觸摸傳感器技術(shù)，包括表面電容和投射電容，但都是基于手指的應用改變局部區域的電容這一事實(shí)，使系統的電子設備能夠檢測觸摸并確定其在屏幕上的位置。圖1a和1b說(shuō)明了原理。

圖1a：在電容式觸摸屏系統中，傳感器和銅接地之間產(chǎn)生電容（CP）。 “邊緣”電場(chǎng)也穿過(guò)覆蓋層。 （賽普拉斯半導體提供）。

圖1b：沒(méi)有手指存在，傳感器的測量電容（CX）基本上等于CP。當手指存在時(shí)，CX是CP和CF的總和。 （賽普拉斯半導體公司提供）。

材料和PCB設計的選擇對CP和CF的值有重大影響。我們將看看CP后來(lái)如何受到影響。 CF的值可以通過(guò)以下公式確定：

CF =（ε0εrA）/D

其中：

ε0=自由空間介電常數

εr=疊加的介電常數

A =手指和傳感器焊盤(pán)重疊的面積

D =疊加厚度

從公式中可以看出，選擇具有較高介電常數的覆蓋材料，減小覆蓋層厚度，增加按鈕直徑將提高CF的值并增加系統的靈敏度。

取決于設計，CP通常測量在10到300 pF之間。相比之下，CF更小，可能在0.1到10 pF之間。為了使設計人員的生活更加困難，CP（也稱(chēng)為寄生電容）隨環(huán)境條件（如溫度和濕度）的變化而變化。因此，設計人員面臨的挑戰是，在應用手指時(shí)，盡可能增加整體傳感器電容的百分比 - 換句話(huà)說(shuō)，最大化信噪比（SNR） - 以確保系統能夠準確地識別虛假觸摸的真實(shí)觸感。

設計觸摸屏PCB

幸運的是，有一些硬件和軟件設計技術(shù)可以幫助設計工程師提高觸摸屏控制設計的SNR。

讓我們開(kāi)始吧通過(guò)考慮PCB。典型的觸摸屏設計采用雙層電路板（電路板厚度范圍為0.5至1.6 mm），傳感器焊盤(pán)和陰影接地平面位于頂部，其他所有位于底部（參見(jiàn)圖2）。當板面積必須最小化時(shí)，可以使用四層板。

圖2：典型的觸摸屏設計，傳感器位于雙層板頂部，組件位于底部。 （賽普拉斯半導體公司提供）。

使用短而窄的走線(xiàn)可以最大限度地減少寄生電容。痕跡長(cháng)度應小于300毫米，寬度應在0.17至0.20毫米之間。最好將傳感器走線(xiàn)布置在PCB的底層，并使用通孔將每個(gè)傳感器走線(xiàn)連接到相關(guān)的傳感器墊。應將通孔放置在焊盤(pán)上，以使傳感器走線(xiàn)長(cháng)度最小化（參見(jiàn)圖3）。采用這種布線(xiàn)方法，當應用手指時(shí)，它只會(huì )與傳感器墊相互作用，而不會(huì )與跡線(xiàn)相互作用。

設計人員不應將跡線(xiàn)直接布置在任何傳感器墊下，除非跡線(xiàn)連接到該特定傳感器。此外，電容式傳感跡線(xiàn)不應與高頻通信線(xiàn)路緊密接觸或平行。如果無(wú)法避免與傳感器走線(xiàn)交叉通信線(xiàn)路，請確保交叉點(diǎn)處于直角

圖3：通過(guò)傳感器板上的位置，使傳感器走線(xiàn)長(cháng)度最小化（底層上的跡線(xiàn)，頂層上的傳感器墊）。 （賽普拉斯半導體公司提供）。

觸摸傳感器設計需要接地填充，以最大限度地降低EMI對電容式傳感系統的影響。然而，需要權衡，因為當接地填充與傳感器焊盤(pán)相鄰時(shí)，會(huì )增加系統的寄生電容，降低其靈敏度。一個(gè)很好的折衷方案是在頂層使用陰影線(xiàn)15％的地面填充（例如，0.18 mm線(xiàn)，1.14 mm間距）和底層10％（例如，0.18 mm線(xiàn)，1.78 mm間距）。

使用帶陰影的接地填充時(shí)，傳感器板和接地層之間的間隙會(huì )影響相關(guān)按鈕的靈敏度。具體而言，傳感器寄生電容的大小與按鍵和接地層之間產(chǎn)生的電場(chǎng)有關(guān)（見(jiàn)圖1a）。事實(shí)證明，當按鈕周?chē)�的間隙增大時(shí)，寄生電容會(huì )減小。圖4說(shuō)明了這種關(guān)系。在該圖中，板材為FR4，厚度為1.57mm，丙烯酸覆蓋層的厚度為2mm。每個(gè)圖包含三個(gè)按鈕尺寸（直徑5，10和15 mm）的數據。

圖4：作為按鈕離地間隙和按鈕直徑的函數的寄生電容（CP）。 （賽普拉斯半導體公司提供）。

按鈕旨在感知手指的存在。形狀和大小會(huì )影響觸摸傳感器的靈敏度。角度小于90度的形狀（如三角形）效果不佳，正方形更好，實(shí)心圓最佳。較大的按鈕通常比較小的按鈕更好。嘗試使按鈕大小與指尖區域相匹配是一個(gè)好主意，該區域將與傳感器接觸。圖5繪制了不同尺寸按鈕的手指電容（CF）占傳感器電容（CSENSOR）的百分比。

圖5：不同尺寸實(shí)心圓形按鈕的CF/CSENSOR比率。 （賽普拉斯半導體公司提供）

消除錯誤觸摸

觸摸屏電路在沒(méi)有手指（啟動(dòng)電容）的情況下會(huì )產(chǎn)生固有的寄生電容。如果起始電容大，則來(lái)自手指觸摸的電容的增加引起相對較小的變化，因此更難以檢測。換句話(huà)說(shuō)，降低啟動(dòng)電容會(huì )增加電容式觸摸傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。

前面討論的PCB設計技術(shù)將有助于增加系統的動(dòng)態(tài)范圍，但還有更多工作要做，尤其是當它消除“虛假觸摸” - 傳感器注冊的觸摸但用戶(hù)不打算接觸。

屏幕尺寸越小，挑戰越嚴峻。例如，與移動(dòng)手機觸摸屏上的特征相比，手指的尖端相對較大，因此與例如計算機監視器相比，確定哪個(gè)按鈕實(shí)際被選擇變得更加困難。

問(wèn)題是當多個(gè)鍵靠近時(shí)，因為靠近傳感器但實(shí)際上沒(méi)有接觸的手指仍會(huì )產(chǎn)生可測量的電容增加并產(chǎn)生錯誤的讀數（見(jiàn)圖6）。

圖6：當手指接近傳感器墊而沒(méi)有實(shí)際接觸時(shí)，可能會(huì )發(fā)生誤觸摸。 （賽普拉斯半導體公司提供）。

每個(gè)傳感器走線(xiàn)都成為它所連接的電容式傳感器的擴展，因此不良的布線(xiàn)可以將電容從一個(gè)傳感器耦合到另一個(gè)傳感器 - 特別是如果跡線(xiàn)指向附近的傳感器 - 并增加虛假觸摸的可能性緊密分組的按鈕是一個(gè)特別的問(wèn)題，因為手指可能會(huì )使相鄰按鈕與要按壓的按鈕重疊。將具有接地環(huán)的組中的每個(gè)傳感器包圍在一起可以幫助隔離每個(gè)傳感器。然而，使用接地環(huán)是一種權衡，因為如前所述，靠近觸摸傳感器的跡線(xiàn)會(huì )增加寄生電容并降低傳感器靈敏度。

半導體供應商的幫助

除了PCB設計變更外，觸摸控制技術(shù)提供商還可以提供一些創(chuàng )新技術(shù)，以盡量減少錯誤觸摸的可能性。例如，賽普拉斯半導體公司的CapSense®技術(shù)允許設計工程師調整電路，以實(shí)現最佳信噪比（SNR），以確保觸摸檢測并濾除誤觸摸。

系統基于公司的CY8C20XX6A技術(shù)可在手指不存在時(shí)持續測量寄生電容。該測量值被轉換為數字計數，以便通過(guò)確定設定時(shí)間內的平均計數數來(lái)設置噪聲基線(xiàn)。這種寄生電容的不斷更新意味著(zhù)如果電容由于環(huán)境因素（例如熱量和濕度的增加）而發(fā)生變化，系統可以“重置”基線(xiàn)。

當手指存在時(shí)，系統會(huì )繼續頻繁地測量電容的順序建立“觸摸”信號的平均值。圖7顯示了基于CapSense的系統的實(shí)際傳感器數據樣本。注意，從許多寄生電容測量建立的噪聲基線(xiàn)被轉換成數字計數。類(lèi)似地，當存在手指以確定信號閾值時(shí)執行許多計數。在這種情況下，SNR為5：1。

圖7：賽普拉斯半導體CapSense®系統的輸出。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持