中心議題：

• 電容式觸摸感應器原理分析
• 電容式觸摸感應器設計分析
• 電容式觸摸感應器測量分析

觸摸感應器已經在業界廣泛使用很多年
，但直到近期，隨著混合信號可編程設備的發展，電容式觸摸傳感器才在廣泛的消費類電子產品中成為傳統機械式開關的替代品。
　　
電容式感應開關是一個非常有吸引力的開關，但它需要適當的物理尺寸，以及在典型的電容式傳感器設計中使用一個3毫(hao)米(mi)或(huo)更(geng)薄(bo)的(de)薄(bo)膜(mo)疊(die)層(ceng)。隨(sui)著(zhe)薄(bo)膜(mo)疊(die)層(ceng)厚(hou)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)。通(tong)過(guo)薄(bo)膜(mo)疊(die)層(ceng)來(lai)感(gan)應(ying)手(shou)指(zhi)會(hui)而(er)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)困(kun)難(nan)。換(huan)言(yan)之(zhi)
，薄(bo)膜(mo)疊(die)層(ceng)厚(hou)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)，調(tiao)諧(xie)係(xi)統(tong)的(de)處(chu)理(li)過(guo)程(cheng)就(jiu)從(cong)”科學技術”轉到了”設計技巧”上了。為了演示如何使一個電容式傳感器突破當今技術的限製
，在此示例係統中使用的玻璃覆蓋的厚度定為10毫米。玻璃具有易於使用、容易獲得和透明的特點，你可以看到在玻璃下麵的傳感器的電路焊盤。玻璃覆蓋層也在所謂的“白色家電”(家用電器)中直接應用。
　　
1．手指電容
　　
renhedianrongchuanganxitongdehexindoushiyizuyudianchangxianghuzuoyongdedaodianti。rentidezuzhichongmandaodiandianjiezhi
，zhexiedianjiezhibeirentibiaopisuofugai，rentibiaopishiyousunhaodejueyuanti。zhezhongshouzhidaodianxingshidedianrongshichumoganyingchengweikeneng。
　　
一yi個ge簡jian單dan的de平ping行xing板ban電dian容rong器qi有you兩liang個ge被bei介jie質zhi層ceng分fen開kai的de導dao體ti。在zai這zhe個ge係xi統tong的de大da部bu分fen能neng量liang都dou集ji中zhong在zai兩liang個ge平ping行xing板ban塊kuai之zhi間jian
，但dan還hai是shi會hui有you部bu分fen能neng源yuan溢yi出chu到dao電dian容rong器qi兩liang個ge板ban之zhi外wai
，與yu這zhe種zhong效xiao應ying相xiang關guan的de電dian場chang線xian被bei稱cheng為wei電dian場chang邊bian緣yuan場chang。生sheng產chan出chu實shi用yong的de電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi麵mian臨lin的de挑tiao戰zhan之zhi一yi就jiu是shi要yao設she計ji出chu一yi組zu印yin刷shua電dian路lu的de走zou線xian。這zhe種zhong走zou線xian方fang法fa能neng使shi用yong戶hu獲huo取qu到dao一yi個ge有you效xiao的de感gan應ying區qu域yu。對dui於yu這zhe種zhong傳chuan感gan器qi模mo式shi。平ping行xing板ban電dian容rong器qi並bing不bu是shi很hen好hao的de選xuan擇ze。
　　
在邊緣電場附近放置一個手指會增加電容係統的導電表麵麵積。由手指引起的額外電荷存儲容量通常被稱為手指電容(Cf)。沒有手指放在表麵時傳感器的電容在本文中用Cp表示。它代表寄生電容。
　　
有you一yi個ge有you關guan電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi常chang見jian的de誤wu解jie是shi，為wei了le能neng讓rang係xi統tong工gong作zuo，手shou指zhi需xu要yao與yu地di連lian接jie。手shou指zhi之zhi所suo以yi可ke以yi被bei係xi統tong感gan覺jiao

，因yin為wei手shou指zhi是shi帶dai電dian的de，當dang手shou指zhi浮fu動dong或huo接jie地di時shi。係xi統tong都dou能neng感gan受shou到dao。
　　
2．傳感器的PCB布局
　
圖1顯示了印刷電路板(PCB)的頂視圖，在這個設計例子中，此PCB實現了其中的一個電容式傳感器按鈕。


該按鈕的直徑為10毫米
，相當於一個成年人指尖的平均尺寸。此演示電路的PCB板包括中心間距20毫米的4個(ge)上(shang)述(shu)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)的(de)按(an)鈕(niu)。如(ru)圖(tu)所(suo)示(shi)，頂(ding)層(ceng)連(lian)接(jie)著(zhe)接(jie)地(di)麵(mian)。該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)焊(han)盤(pan)與(yu)接(jie)地(di)麵(mian)之(zhi)間(jian)間(jian)隔(ge)著(zhe)一(yi)個(ge)均(jun)勻(yun)的(de)空(kong)隙(xi)。該(gai)間(jian)隙(xi)的(de)大(da)小(xiao)是(shi)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)設(she)計(ji)參(can)數(shu)。如(ru)果(guo)差(cha)距(ju)設(she)置(zhi)太(tai)小(xiao)
，太(tai)多(duo)的(de)場(chang)能(neng)量(liang)會(hui)直(zhi)接(jie)轉(zhuan)到(dao)地(di)層(ceng)。如(ru)果(guo)設(she)置(zhi)過(guo)大(da)
，場(chang)能(neng)會(hui)直(zhi)接(jie)穿(chuan)過(guo)疊(die)層(ceng)，而(er)失(shi)去(qu)控(kong)製(zhi)。0.5毫米大小的間隙對於引導邊緣場通過10mm玻璃覆蓋層是最佳間距。
　　
圖2顯示了同一種樣感應模式的一個截麵圖。

在PCB上通過一個過孔將感應器焊盤連接到電路板底層的一條走線上，如圖2所示。當電場嚐試著尋找回地的最短路徑時，介電常數εr會影響到材料中電場能量的緊密程度。標準窗口玻璃的介電常數大約為8，而PCB的FR4材料介電常數大約為4。通常使用在白色家電商品上的高硬度玻璃的介電常數則約為5。在這個設計實例中
，使用的是標準窗戶玻璃。要注意的是
，玻璃板是用3M公司的不導電黏合膠帶468-MP安裝在電路板上的。
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3．電容式傳感101
　　
一yi個ge電dian容rong式shi傳chuan感gan係xi統tong的de基ji本ben組zu成cheng元yuan件jian
，是shi一yi個ge可ke編bian程cheng電dian流liu源yuan
，一yi個ge精jing確que的de模mo擬ni比bi較jiao電dian路lu，以yi及ji一yi個ge模mo擬ni多duo路lu複fu用yong總zong線xian。該gai總zong線xian可ke通tong過guo一yi個ge電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi陣zhen列lie進jin行xing排pai序xu。本ben文wen中zhong所suo介jie紹shao的de係xi統tong中zhong的de弛chi張zhang振zhen蕩dang器qi作zuo為wei電dian容rong傳chuan感gan器qi。這zhe個ge振zhen蕩dang器qi的de簡jian化hua電dian路lu圖tu如ru圖tu3所示。


該比較器的輸出被作為一個脈衝寬度調製器(PWM)電路的時鍾輸入信號，它負責選通一個頻率為24兆赫茲的16位計數器。手指接觸傳感器時會增加電容，從而增加計數器的總值。這就是一個手指如何被感覺到方式。這個係統的典型波形如圖4所示

　　圖5中顯示了實現這一項目的電路原理圖。

為實現電容式傳感和串行通信
，電路設計中采用了賽普拉斯公司的CY8C21x34係列的PSoC芯片，其中包含了一組模擬和數字功能模塊
，它們由存儲在板載閃存中的固件來設置。第二個芯片處理RS232電平移位
，以提供與一台主機的通信鏈路，使電容式傳感數據記錄通過串口以115200波特率傳輸給主機。四個電容傳感按鍵的引腳分配顯示在圖5中的表中。通過ISSP接口和編程引腳SCL、SDA對PSoC進行編程。ISSP接口中包含電源和地，而PC主機連接到電容式傳感電路板通過標準的DB9連接器。
　　
4．調整傳感器
　　
每次調用上列程序中的調用函數CSR_1_Start()時
，均對Button1的電容進行測量。原始計數值被存儲於CSR_1_iaSwResult[]陣列中。用戶模塊還跟蹤一個用於原始計數的基線。每個按鍵的基線值均為一個由軟件中的IIR濾波器進行周期性計算的平均原始計數值。IIR濾波器的更新速率是可編程的。基線使得係統能夠適應於由於溫度和其它環境影響而引起的係統中的漂移。
開關差分陣列CSR_1_iaSwDiff[]包含消除了基線偏移的原始計數值。利用開關差值來決定按鍵目前的開/關狀態。這可使係統的性能保持恒定，即便在基線有可能隨著時間的推移而發生漂移的情況下也是如此。
　　
圖6顯示了固件中實現的差分計數與按鍵狀態之間的轉移函數。

該gai轉zhuan移yi函han數shu中zhong的de遲chi滯zhi提ti供gong了le開kai關guan狀zhuang態tai之zhi間jian的de幹gan淨jing利li落luo的de轉zhuan換huan，即ji使shi計ji數shu是shi有you噪zao聲sheng的de情qing況kuang下xia也ye不bu例li外wai。這zhe也ye為wei按an鍵jian提ti供gong了le一yi種zhong反fan跳tiao功gong能neng。低di門men限xian被bei稱cheng為wei“噪聲門限”

，而高門限則被稱為“手指門限”。menxianshuipingdeshedingjuedinglexitongdexingneng。dangfugaicengfeichanghoushi
，xinzaobihendi。zaicileixitongzhongshedingmenxianshuipingshiyixiangjuyoutiaozhanxingdegongzuo
，erzheqiahaoshidianrongshichuanganshejijiqiaodeyibufen。
　　
圖7顯示了一個持續時間為3秒的按鍵觸壓操作的理想原始計數波形。

同時還給出了門限值。噪聲門限被設定的計數值為10，而手指門限設定的計數值則為60。實際上
，在實際計數數據中始終存在噪聲分量

，圖中並未顯示，以便能清晰地顯示門限水平。
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部分調整過程還包括選擇電流源DAC的電平以及設置用於計數累加的振蕩器周期數。在固件中，函數CSR_1_SetDacCurrent(200,0)把電流源設定在其低電流範圍內，數值為200(最高255)，大約對應於14μA。函數CSR_1_SetScanSpeed(255)把振蕩器周期數設定為253(255－2)。原始計數和差分計數的分析表明：該係統的寄生引線電容CP約為15pF而手指電容CF約為0.5pF。可見，手指電容使總電容產生了約3%的變化。對於每個按鍵，每個原始計數值的采集所需要的時間僅為500μs。
　　
測量性能
　　
電容式傳感係統的性能測量結果示於圖8中。


通過一個終端仿真程序，在主PC上獲得差分計數
，然後借助電子製表軟件加以繪製。將手指放置在10mm厚的玻璃覆蓋層上，並持續3秒(miao)的(de)時(shi)間(jian)。按(an)鍵(jian)的(de)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai)被(bei)疊(die)加(jia)在(zai)原(yuan)始(shi)計(ji)數(shu)上(shang)。按(an)鍵(jian)在(zai)這(zhe)兩(liang)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)之(zhi)間(jian)幹(gan)淨(jing)利(li)落(luo)地(di)轉(zhuan)換(huan)，即(ji)使(shi)是(shi)由(you)於(yu)通(tong)過(guo)厚(hou)玻(bo)璃(li)進(jin)行(xing)檢(jian)測(ce)而(er)使(shi)原(yuan)始(shi)計(ji)數(shu)信(xin)號(hao)中(zhong)具(ju)有(you)較(jiao)大(da)的(de)噪(zao)聲(sheng)時(shi)也(ye)是(shi)如(ru)此(ci)。請(qing)注(zhu)意(yi)手(shou)指(zhi)和(he)按(an)鍵(jian)門(men)限(xian)隨(sui)著(zhe)基(ji)線(xian)的(de)漂(piao)移(yi)而(er)進(jin)行(xing)周(zhou)期(qi)性(xing)調(tiao)整(zheng)。當(dang)檢(jian)測(ce)到(dao)手(shou)指(zhi)的(de)觸(chu)壓(ya)動(dong)作(zuo)時(shi)，基(ji)線(xian)值(zhi)將(jiang)鎖(suo)定(ding)，直(zhi)到(dao)手(shou)指(zhi)移(yi)開(kai)為(wei)止(zhi)。
　　
圖9顯示了兩種狀態轉換處的局部細節圖。

在圖9a中，按鍵初始狀態為斷(OFF)狀態。超過手指門限的差分計數的第一個采樣把按鍵狀態轉換至通(ON)狀態。在圖9b中

，低於噪聲門限的差分計數的第一個采樣將按鍵轉換至斷狀態。
　　
與yu機ji械xie式shi開kai關guan相xiang比bi，基ji於yu電dian容rong的de觸chu摸mo傳chuan感gan器qi的de主zhu要yao優you點dian是shi耐nai用yong性xing好hao，不bu易yi損sun壞huai，可ke以yi長chang期qi使shi用yong。混hun合he信xin號hao技ji術shu的de近jin期qi發fa展zhan

，不bu僅jin使shi得de觸chu摸mo式shi傳chuan感gan器qi的de成cheng本ben在zai各ge種zhong消xiao費fei類lei產chan品pin中zhong降jiang到dao了le具ju有you成cheng本ben效xiao益yi的de水shui平ping
，而er且qie還hai提ti高gao了le檢jian測ce電dian路lu的de靈ling敏min度du和he可ke靠kao性xing(因為增加了覆蓋層的厚度和耐用性)。利用本文介紹的設計方法
，說明通過一個10mm的(de)玻(bo)璃(li)來(lai)檢(jian)測(ce)手(shou)指(zhi)的(de)按(an)鍵(jian)觸(chu)壓(ya)是(shi)可(ke)能(neng)的(de)，並(bing)利(li)用(yong)基(ji)於(yu)噪(zao)聲(sheng)門(men)限(xian)和(he)手(shou)指(zhi)門(men)限(xian)的(de)反(fan)跳(tiao)法(fa)

，實(shi)現(xian)了(le)按(an)鍵(jian)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai)之(zhi)間(jian)的(de)幹(gan)淨(jing)利(li)落(luo)的(de)轉(zhuan)換(huan)，從(cong)而(er)使(shi)電(dian)容(rong)式(shi)觸(chu)摸(mo)傳(chuan)感(gan)器(qi)成(cheng)為(wei)機(ji)械(xie)式(shi)開(kai)關(guan)元(yuan)件(jian)的(de)一(yi)種(zhong)實(shi)用(yong)型(xing)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)。