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电容触摸按键设计:接近传感器的布局指导

作者:angelazhang时间:2015-08-16

电容式接近传感器可以感应接近而不需要接触的导电物体。接近传感器和按键传感器之间有两个不同点:传感器结构和传感器的灵敏度。对于接近传感器结构,电场线路应该被预计为最大距离,以便获得更大的接近距离。接近距离取决于传感器的电场传播(电场强度)。传播距离更大,检测的范围将会更大。

 

一、传感器设计指导

接近传感器结构取决于应用和所需的接近范围。手机中的人脸接近检测和平板电脑中的吸收辐射率(SAR)控制等应用要求最大接近距离为3厘米。为了得到该接近距离,需要有小面积的传感器,并且用实心填充。对于要求更大接近距离的应用,如相框、监视器和键盘,使用覆盖器件周围的大型传感器环绕,以便得到更大的接近距离。

可以使用下面方式构造接近传感器:

● PCB或FPC上的铜制走线:长型PCB走线可以作为接近传感器使用。 走线可能是直线型,或环绕系统用户接口周边,如图1所示。使用PCB走线构建接近传感器的这种方法适用于批量生产,但灵敏度不如导线传感器。建议在接近传感器周围使用接地环绕,用以减少噪声并提供对防止ESD事件的干扰。需要权衡接近范围、抗噪性以及ESD性能。有关接近传感器和接地环绕布局的建议,请查看设计工具箱中的通用布局指导。


图1:PCB/FPC 上的接近传感器构建


● 导线:一根导线可以用作良好的接近传感器。由于检测手指依赖于随电场变化而变化的电容,任何影响到导线周围的电场的杂散电容或物体都会影响接近传感器的感应范围。由于制造成本和复杂性较高,所以使用导线传感器对于批量生产而言并不是理想的解决方案。

请按照下面步骤来增大接近范围:

● 增大接近传感器环绕大小:增加接近传感器的面积将会使接近距离增大,如图2所示。

● 将接近分辨率设置为最大值:增大接近距离将会使接近传感器分辨率增大。

● 使能高级低通(ALP)滤波器:使用ALP滤波器可以减少接近传感器中原始信号的噪声并增大接近距离,如图2所示。

● 使接近传感器屏蔽于任何接近的金属物体:放置在接近传感器附近的金属物体将会降低灵敏度并缩小接近距离。

图2:接近环绕大小与接近距离的关系


注意:

● 图2中的接近距离是在理想条件下测量到的。实际应用中的距离可因工作环境而被缩小。

● 图2中显示的接近距离是针对周围布置着接地环绕的接近传感器进行测量的。接近环绕与接地环绕间的间隙为1毫米。

 

二、金属物体对接近距离产生的影响

如果传感器附近有金属表面存在,接近检测范围明显被缩小了。大多数家电产品和汽车应用有金属框架或外壳,所以要这些应用得到更大的接近范围具有挑战性。当导电物体放置在传感器附近时,由于下面因素而明显缩小了接近检测范围:

● 传感器的寄生电容增加。更大的杂散电容通常要求降低工作频率,因而缩小了接近距离。

● 金属接地层将捕捉一部分传感器电场,并降低手掌所产生的电容。

在接近传感器和金属物体之间放置一个屏蔽电极(如图5所示),这样可以减少金属表面的接近传感器的影响。



图3:单个传感器配置的电场传播(无金属物体)



图4:单个传感器配置的电场传播(有固态金属物体)


图5.使用屏蔽电极减少金属物体的影响

 

三、耐水性的布局指导

覆盖层上的水滴或水流可能会错误触发电容式触摸传感器,使用屏蔽电极来消除传感器上的水滴导致的误触摸,使用保护传感器来消除水流导致的误触摸。

1、屏蔽电极结构

请按照下面指导来设计耐水电容式感测应用:

● 在PCB顶层上,使用网格地(走线长度为0.17毫米(7密耳),格子为1.143毫米(45密耳)),并使用屏蔽信号(SH引脚)控制该网格模型。

● 将屏蔽电极放置在传感器焊盘和裸露走线(对于单层PCB)的周围。

● 保持从传感器的屏蔽电极网格宽度不超过1厘米。如果该宽度超过1厘米,将对系统性能产生微弱影响。



图6.屏蔽电极模型

 2、保护传感器

保护传感器是围绕所有传感器的铜走线,如图7所示。请确保屏蔽电极模型围绕着保护传感器和裸露走线,并离他们的间距不超过1厘米。保护传感器的形状应为弯曲边缘的矩形。保护传感器的推荐厚度为2毫米,并保护走线和屏蔽网格之间的最大间距为1毫米。

图7.具有屏蔽电极和保护传感器的PCB布局

3、示例布局

● FPC上的触摸按键

图8和图9显示的是在FPC上实现触摸按键的设计布局的顶层和底层。

请按照布局最佳实践进行设计:

a. 仅在顶层上填充地使传感器CP变为最小。

b. 将芯片放置在传感器附近,以便使传感器的走线长度最小。

c. VDD、LED和I2C线路与传感器走线隔离开。

d. 传感器中间的间隙(用于LED背光)要为最小值,以得到最大灵敏度。


图8.FPC上的触摸按键—顶层


图9.FPC上的触摸按键—底层


● FR4PCB上的触摸按键

图10和图11显示的是在FR4PCB上实现耐水触摸按键的设计布局的顶层和底层。

请按照布局最佳实践进行设计:

a. 屏蔽和保护传感器布局的构建如耐水性的布局指导一节中所述。

b. 将芯片放置在传感器附近,以便使传感器的走线长度最小。

c. VDD、LED和I2C线路与传感器走线隔离开。

d. 传感器中间的间隙(用于LED背光)要为最小值,以得到最大灵敏度。


图10.FR4PCB上的耐水触摸按键—顶层


图11.FR4PCB上的耐水触摸按键—底层


● FPC上的接近传感器

图12和图13显示的是在FPC上实现接近传感器的设计布局的顶层和底层。

请按照布局最佳实践进行设计:

a. 将接地环绕围绕着接近传感器环绕,以便提高抗噪性和ESD性能。

b. 通过使用环绕传感器,可以使传感器CP最小。

c. 将接地环绕围绕着接近传感器,使噪声为最小,同时提供了对ESD事件的抗扰性。

d. 将芯片放置在传感器附近,以便使传感器的走线长度最小。

e. VDD和I2C线路与传感器走线相隔离。


图12. FPC上的接近传感器—顶层


图13. FPC上的接近传感器—底层


至此本文将世强代理的电容触摸产品CY8CMBR3xxx PCB布局相关的注意事项介绍完毕,只有遵守相关的规则和注意事项,才能获得更好的按键、接近感应、抗干扰、防静电等方面的性能。



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