电容式触摸感应器的设计应用

触摸感应器已经在业界广泛使用很多年，但直到近期，随着混合信号可编程设备的发展，电容式触摸传感器才在广泛的消费类电子产品中成为传统机械式开关的替代品。

电容式感应开关是一个非常有吸引力的开关，但它需要适当的物理尺寸，以及在典型的电容式传感器设计中使用一个3毫米或更薄的薄膜叠层。随着薄膜叠层厚度的增加。通过薄膜叠层来感应手指会而变得越来越困难。换言之，薄膜叠层厚度的增加，调谐系统的处理过程就从”科学技术”转到了”设计技巧”上了。为了演示如何使一个电容式传感器突破当今技术的限制，在此示例系统中使用的玻璃覆盖的厚度定为10毫米。玻璃具有易于使用、容易获得和透明的特点，你可以看到在玻璃下面的传感器的电路焊盘。玻璃覆盖层也在所谓的“白色家电”(家用电器)中直接应用。

1．手指电容

任何电容传感系统的核心都是一组与电场相互作用的导电体。人体的组织充满导电电解质，这些电解质被人体表皮所覆盖，人体表皮是有损耗的绝缘体。这种手指导电性使得电容式触摸感应成为可能。

一个简单的平行板电容器有两个被介质层分开的导体。在这个系统的大部分能量都集中在两个平行板块之间，但还是会有部分能源溢出到电容器两个板之外，与这种效应相关的电场线被称为电场边缘场。生产出实用的电容式传感器面临的挑战之一就是要设计出一组印刷电路的走线。这种走线方法能使用户获取到一个有效的感应区域。对于这种传感器模式。平行板电容器并不是很好的选择。

在边缘电场附近放置一个手指会增加电容系统的导电表面面积。由手指引起的额外电荷存储容量通常被称为手指电容(Cf)。没有手指放在表面时传感器的电容在本文中用Cp表示。它代表寄生电容。

有一个有关电容式传感器常见的误解是，为了能让系统工作，手指需要与地连接。手指之所以可以被系统感觉，因为手指是带电的，当手指浮动或接地时。系统都能感受到。

2．传感器的PCB布局

图1显示了印刷电路板(PCB)的顶视图，在这个设计例子中，此PCB实现了其中的一个电容式传感器按钮。

该按钮的直径为10毫米，相当于一个成年人指尖的平均尺寸。此演示电路的PCB板包括中心间距20毫米的4个上述设计方法的按钮。如图所示，顶层连接着接地面。该传感器焊盘与接地面之间间隔着一个均匀的空隙。该间隙的大小是一个重要的设计参数。如果差距设置太小，太多的场能量会直接转到地层。如果设置过大，场能会直接穿过叠层，而失去控制。0.5毫米大小的间隙对于引导边缘场通过10mm玻璃覆盖层是最佳间距。

图2显示了同一种样感应模式的一个截面图。

在PCB上通过一个过孔将感应器焊盘连接到电路板底层的一条走线上，如图2所示。当电场尝试着寻找回地的最短路径时，介电常数εr会影响到材料中电场能量的紧密程度。标准窗口玻璃的介电常数大约为8，而PCB的FR4材料介电常数大约为4。通常使用在白色家电商品上的高硬度玻璃的介电常数则约为5。在这个设计实例中，使用的是标准窗户玻璃。要注意的是，玻璃板是用3M公司的不导电黏合胶带468-MP安装在电路板上的。

3．电容式传感101

一个电容式传感系统的基本组成元件，是一个可编程电流源，一个精确的模拟比较电路，以及一个模拟多路复用总线。该总线可通过一个电容式传感器阵列进行排序。本文中所介绍的系统中的弛张振荡器作为电容传感器。这个振荡器的简化电路图如图3所示。

该比较器的输出被作为一个脉冲宽度调制器(PWM)电路的时钟输入信号，它负责选通一个频率为24兆赫兹的16位计数器。手指接触传感器时会增加电容，从而增加计数器的总值。这就是一个手指如何被感觉到方式。这个系统的典型波形如图4所示

图5中显示了实现这一项目的电路原理图。

为实现电容式传感和串行通信，电路设计中采用了赛普拉斯公司的CY8C21x34系列的PSoC芯片，其中包含了一组模拟和数字功能模块，它们由存储在板载闪存中的固件来设置。第二个芯片处理RS232电平移位，以提供与一台主机的通信链路，使电容式传感数据记录通过串口以115200波特率传输给主机。四个电容传感按键的引脚分配显示在图5中的表中。通过ISSP接口和编程引脚SCL、SDA对PSoC进行编程。ISSP接口中包含电源和地，而PC主机连接到电容式传感电路板通过标准的DB9连接器。

4．调整传感器

在应用程序中每次调用“开始扫描”功能时，都会检测按键1的电容。原始计算值存储在一个数组中。用户模块还跟踪用于原始计数的基线。每个按键的基线值是一个平均的原始计数值，这个值由IIR滤波器在软件中周期计算得出。IIR滤波器的更新频率是可编程的。基线使该系统能适应系统中由于温度和其他环境影响而造成的漂移。一个开关差分数组包含消除了基线偏移的原始计数值。目前按钮的ON／OFF状态由开关差值来决定。这使得系统的性能保持不变，即使基准可能会随着时间的推移而发生漂流系统的性能也不受影响。

这种转移函数中的滞后性提供了ON和OFF状态的平滑转换，即使计数非常杂乱也不影响。这为按钮提供了防跳动功能。

较低的阈值被称为“噪声阈值”，较高的阈值被称为“手指阈值”。阈值水平的设定决定了系统的性能。使用越厚的叠层，信号的信噪比就越低。在这样的系统中设置阈值水平是具有一定挑战性的工作，而这正好就是电容触摸传感设计技巧的一部分。

噪声阈值设置为10个计数值，而手指阈值设置为60计数值。

调整过程的一部分包括选择电流源DAC的电流水平和设置用于累加的振荡器周期数。该固件在电流源的低值范围内设置的电流源的水平为200(最大值255)，这个值大约为14微安(μA)，设置的振荡器周期数为253。对原始计数和差分计数的分析表明，该系统有一个大约为15pF的寄生走线电容C。以及一个约为0.5 pF的手指电容。手指改变了大约3％左右的总电容。每个原始计数值的采集只占用每个按钮的500微秒(μs)。

5．测量性能

差分计数可以通过在PC机上的一个终端仿真程序获取，然后标注在电子表格上。手指放在10毫米厚的玻璃叠层上持续3秒钟，按钮的ON／OFF状态叠加在原始计数上。按钮在ON和OFF状态之间平滑的转换，即使是在通过厚玻璃时感应而产生较大噪音的原始计数信号也一样。要注意的是，手指和按钮阈值如何随着基准漂移而进行周期性的调整。当感应到手指按下的动作时，基准值锁定它的数值，直到手指移开为止。

与传统机械式开关相比，基于电容的触摸感应器的主要优势在于电容式触摸传感器经久耐用，长期使用不易损坏，而机械开关使用时间一长就容易坏。

近年来，混合信号技术的不断发展，不仅使触摸传感器的生产成本大大降低到各种消费类电子产品都可以使用的水平，而且还有助于实现更高灵敏度和可靠性的感应电路，从而增加覆盖厚度，提高可靠性和耐久性。利用本文中所展示的设计技术，通过10毫米的玻璃也可能感应到指压按键的操作，基于噪音阈值和手指阈值的防止跳动的方法也可以实现按钮开启(ON)和关闭(OFF)状态的平滑切换，这些技术使得电容式触摸传感器成为机械式开关元件可行的替代产品。