【導讀】電容觸摸技術自問世以來，已進軍各類應用。觸摸技術始于初期手機的電阻式觸摸屏，但由于電阻式觸控傳感器的響應速度較慢，靈敏度成為新設計的主要考慮因素，隨之而來便出現了電容式觸摸技術，而觸控界面也隨之在市場上迅速得到普及。
電容傳感技術基于以下原理：物體表面一旦有觸摸動作發生或者其他任何變化發生，就會改變該物體中某個區域的介電特性，從而改變所檢測到的電容，也就是產生電壓變化。與電阻觸摸技術相比，電容的變化非常快。通過增強表面物質的介電特性，還可以提高變化速度。
電容傳感器能直接或間接感應各類參數，其中包括電場、運動、化學特性、加速度、流體特性、壓力等等。傳感器表面是圍繞某種介質的電極，在檢測電路和激勵電壓的幫助下，該介質能夠將電容變化轉變為一個變化的電壓。以下是計算電容變化的典型公式：
C=(∈_0 ∈_r S)/d Farad.Meter。其中：
- ∈_0是絕對電容率
- ∈_r 是相對電容率
- s 是表面面積
- d 是板間距離
此處的∈_0= 8.854 X 〖10〗^(-12)
圖1: 電容測量
與此類似，我們可以依據表面面積特性計算出其它對稱表面。對于非對稱電極，場線可以給出等勢面和通量線的近似值。因此，可以通過像素點方塊的數量估算出電容值。
基于電容傳感技術的觸摸模塊包括按鍵、滑塊、觸摸板、接近感應傳感器、觸摸界面、旋轉編碼器以及其它可用于替代噪聲大、笨重的機械按鍵和開關的界面組件。與機械界面相比，它們不僅能夠縮小系統電路板尺寸，而且還能降低功耗。例如，電容觸摸界面通常工作于1.8V－5V之間，甚至低至0.9 V，但是它們在靈敏度、功耗要求和誤觸方面可能存在問題。
一個電容傳感子系統需要圖2中顯示的組件。覆蓋層是PCB（印刷電路板）上設備的頂層界面，與用戶直接接觸。它是一個光滑表面，用戶通過觸摸它執行具體操作。覆蓋層可以是玻璃、木質、丙烯酸、塑料或其它任何非導電材料。下一個組件是PCB。PCB根據介電常數及損耗選擇。種類包括：面向低成本應用的FR4基板以及面向高成本應用的低損耗RT/duroid高頻線路板材料基板。另一個重要組件是傳感器感應點，要求非常靈敏，其設計和在PCB的布置有一定的標準。最后也是最重要的組件就是主控制器，它是負責實現觸摸界面所需的所有信號調節與處理工作的大腦。
圖2:電容傳感子系統的組件
電容測量可采用兩種方法完成：即互電容和自電容。圖3 顯示了這兩種方法的工作原理。
圖3:互電容和自電容測量的工作原理
在自電容傳感器中，測量的是對地電容；而在互電容傳感器中，一個Tx電極和一個 Rx電極均被用于檢測觸摸和非觸摸操作。但觸摸發生時，信號從Tx電極流向Rx電極。該信號與互電容直接成正比。因此，當觸摸發生時，互電容降低，而自電容升高。自電容一般用于單點觸摸應用（即單手指界面），而多點觸摸應用（即可以使用多個手指，如二指手勢）需要互電容。
設計方法
雖然電容傳感技術可提供令用戶滿意的界面，但設計人員需要維持穩定的性能，同時滿足預算限制。魯棒性、可靠性、精度和靈敏度是工程師必須為基于電容觸摸的應用實現的關鍵特性。我們在本節將探討工程師需要解決哪些問題才能有效實現消費應用中的電容傳感設計。
控制器的選擇
控制器選擇是設計過程中非常重要的一環。市場上目前有眾多控制器，每種都有其特殊的能力和特性。適合電容傳感的控制器應在芯片中內置一個良好的模擬電路，以實現較高的SNR（信噪比 ），維持性能和精度。此外，還建議控制器支持信號調節功能，因為處理電容信號（尤其是在那些多點觸摸應用中）需要進行大量的信號調節。增加用于信號調節的驅動器、緩存器或轉換器等額外硬件通常不是什么好主意，因為這些組件可能會增加路徑噪聲和損耗以及物料（BOM）成本。設計用于傳輸模擬數據的走線也需要特殊技能，因為走線尺寸決定了信號強度，而后者與阻抗匹配成正比。
PSoC（可編程片上系統）控制器內置電容檢測感應功能以及運算放大器、互阻抗放大器（TIA）等信號調理電路，它們能讓工程師在不增加硬件的情況下將傳感器與控制器直接對接。
電容傳感技術對水和濕氣也很敏感。這有可能影響洗衣機、冰箱等應具備防潮能力的應用的性能和可靠性。水也有電容率，因此會增加電容值，影響電容觸摸效果。因此，電容感應傳感器必須具備防水性，從而讓控制器具備防水功能。
很多消費級系統都可以采用以下方式降低成本：使用一個性能較低的處理器，將模擬傳感器數據和電容測量結果傳輸至離線處理。目前，BLE傳輸技術通常被用于向安卓和iOS應用傳輸數據。其它應用可能需要使用WiFi、ZigBee或 WiMax等其它無線通信技術。一個支持無線功能的控制器可極大簡化設計。
調諧方法和固件功能
對于那些使用電容傳感技術的系統而言，模擬傳感器調諧是一個重要的設計步驟。電容感應的精度在很大程度上取決于環境的介電常數，并受觸摸環境的影響。設備應能在潮濕、低溫、高溫和風雪環境中工作。這可以通過調節固件中的感應sensor參數來實現。調試可以是手動或自動（即由微處理器支持）。自動調試技術避免了耗時、耗力的逐步調試傳感器的過程。手動調試對于構建數量較少的應用較為方便，因為它不需要大量軟件，但需要關注很多因素，如SNR、材料的介電常數、覆蓋層的厚度、靈敏度、響應時間等等。一個靈活的控制器應支持自動和手動調諧功能，從而便于量產和操作。
實現智能的信號處理算法還需要良好的固件功能。考慮到調試電容系統的復雜性，控制器必須得到一個綜合設計環境的支持。例如，PSoC Creator是一個集成開發環境，可讓設計人在不需要編寫復雜代碼的情況下，設計出具備復雜信號處理功能的電容傳感模塊。
覆蓋層及固定方法的選擇
覆蓋層不僅決定著終端產品的外觀，還決定了其感應靈敏度。圖4顯示了采用電容傳感技術的系統中所使用的不同類型的覆蓋層，如木質、丙烯酸和玻璃等。實驗結果顯示，所有這些覆蓋層均需要調試才能可靠工作。因為固定問題而導致的覆蓋層識別等問題在消費應用中最常見。
圖4:電容傳感技術所采用的覆蓋層
電容值隨基板和電極之間的間隙而變化。如果覆蓋層固定不合理，不斷變化的間隙就可能會影響整個系統的性能和精度。吸膠、磁力校準和機械固定是消費電子行業所采用的避免此類問題的一些標準技術。覆蓋層厚度是另一個重要參數，因為厚度與電容值和靈敏度成正比。從產品角度而言，覆蓋層的材料、工藝和外觀是重要參數。在消費應用中，量產一款基于覆蓋層的產品是一項設計和制造挑戰。
傳感器元件的布置和接地技術
通常而言，PCB的地平面應整體均勻。這可以減低噪聲，因為噪聲是均勻分布的。但這同時增加了寄生電容Cp，從而影響基于電容傳感技術的應用。Cp是與傳感器走線相關的重要參數。隨著Cp的增加，布局的難度也將增加，因為工程師必須更加謹慎，不引入其它寄生電容。這實際上降低了設計人員對布線設計的容忍度。
因此，應為電容應用選擇一個hash接地層，而不是均勻的地平面。傳感器感應點沒有任何其它電信號走線或金屬器件。圖5顯示了這一原理。
圖5: 電容傳感器電路板的PCB結構
電路板技術的選擇也是影響Cp的一個重要因素。在大多數產品中，人們觀察到柔性材料更適合連接傳感器和電路，因為它給系統增加的Cp較少。總電容是人觸摸電容、PCB電容（FR4和柔性PCB的該值不同）、PCB走線電容和系統中其它寄生效應的和。因此，調試是一個重要的設計環節。
最后，可通過為電容傳感器提供屏蔽裝置（即地平面）避免誤觸、EMI、EMC噪聲和其它不良效應。圖6是響應一次電容刺激的橫截面圖。
圖6： 電容墊和布局技術的橫截面圖
BOM優化
BOM優化也是產品設計的一個重要標準。復雜的機械設計、外殼和光滑的覆蓋層在增加美觀的同時也增加了BOM成本，采用RT/Duroid基板、玻璃覆蓋層和一個時尚的外殼肯定會打造出一款同類最佳產品，但其高昂的成本可能會令其在市場上遭遇失敗。
結束語
本文探討了面向消費應用的電容傳感技術的工作原理、設計和應用，以及傳感器調試、組件選擇、布置標準等設計中遇到的各種問題，并給出了可能的解決方案。使用一個集成電容傳感技術所需特性的控制器可提升產品的性能和可靠性，并降低其成本和復雜性。
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