凡亿专栏 | 电容触摸的基本知识与原理
电容触摸的基本知识与原理

概述电容式触摸感应,是一种通过电容的变化来检测手指接近或触及触摸表面的技术。通过电容式感应,机械开关和旋钮可替换为外观雅致的按钮、滑条和滚轮,以解决:1. 长时间使用后磨损和可靠性降低2. 前面板与按键之间存在缝隙,容易被水分渗透,而引起不良3. 需施加力度才能触发4. 前面板开孔会一定程度上增加成本5. 按键形状较为固定

499b07d490379b9b1582457cf283ec.jpg
基本原理

常见的电容触摸传感器如图2-1所示,一般以PCB上的覆铜作为电极。结构上,顶层会覆盖非导电性的防护层,如玻璃或塑料,利用胶水和PCB粘连。另外传感器周围会覆有网格地。
82521225cff07e6768b119c603c8a3.jpg
基于所检测电容的类型,电容触摸可分为自感型电容检测(检测单电极和地之间的电容值),互感型电容检测(检测双电极之间的电容值)。
自感型电容检测4ee259a428d4f359ec904a33ba652d.jpg
以最简单的单按键为例,自感型电容的检测示意图如图 2-2 所示,检测模型如图 2-3 所示。自感型电容利用覆铜形成的单电极(接收电极Rx),来检测电极对地的电容变化。按键对地的初始电容为Cp,当人手触摸时,会给整个环路引入 Ct,Ch 与 Cg,从而使按键的对地电容增大。8d11292800ead3ed7a1caa1033f6c8.jpg说明:实线表示实际走线,虚线表示非实际走线。灰色元器件表示等效电容或电阻。Rh: 人体电阻。Rs: 串联电阻,推荐值为 470Ω。Cp: 按键与所连导线的对电源地寄生电容。Cg: 电源地与大地之间的电容。对于电池应用,大约为 1pF。对于接地应用为短路。Ch: 人体与大地之间的串联电容。Ct: 电级与人指尖形成的电容,类似于平板电容器结构。Cd: 人手与电源地形成的电容。
为便于分析,忽略 Rh,Rs 的影响。按键对地的等效电容如公式 1-1 所示。灵敏度可以表征为触摸产生的电容变化与基础电容之间的比,如公式 1-1 所示。其中由于 Ch 较于 Cg 和 Ct 较大,因此可忽略。在地平面较稀时,𝐶𝑑较小,因此𝐶𝑔   𝐶𝑑可约等于𝐶𝑔。3f4fff38df47fa96539e055f8fe069.jpgA: 手指与传感器垫片覆盖层的接触面积。
d: 覆盖层的厚度。ε0: 空气介电常数。εr: 覆盖层的介电常数。由公式 1-2 和 1-3 可知,提高灵敏度的方法有:1)减小盖板的厚度,提高盖板的𝜀𝑟,从而提高𝐶𝑡;2)减小网格地的密度,或增加 PCB 的厚度,从而降低𝐶𝑝;3)由于𝐶𝑡与𝐶𝑔数量级相同,合理的将电源地与大地相连从而增加𝐶𝑔;4)合理的增大电极的面积,通过提高手指与传感器垫片覆盖层的接触面积 A 来提高 Ct。

要注意,无法通过无限增大电极的方式来增加灵敏度。主要因为平行板电容 Ct 的最大有效面积与手指触摸面积相同,另外过大的电极面积无法增加触摸信号强度,反而会增加𝐶𝑝,导致灵敏度降低。

互感型电容检测
29b5cb636bde5a1a2ce33a7f3135bc.jpg如图 2-4 所示,互感型电容利用覆铜形成的双电极(接收电极 Rx,发送电极 Tx)来检测两电极之间电容的变化。互感型电容检测的最大特点是可以忽略按键对电源地的寄生电容 Cp 的影响。以最简单的单按键为例,互感型电容的检测模型如图 2-5 所示。当人手触摸时,CRT 变成两个 2CRT,同时引入 CRTt,Ct,Ch 与 Cg。最终使双电极间的电容减小。243944ab0d9d379dcc1b3aa5f56e97.jpg
说明:实线表示实际走线,虚线表示非实际走线。灰色元器件表示等效电容或电阻。CRTt: 手指触摸引入的Rx和Tx电极之间的并联电容。CRT: Rx和Tx电极之间的电容,当人手触摸时,等效分为两个容值2CRT的电容。Tx 与 Rx 之间的等效电容如公式1-4所示。灵敏度可以表征为触摸产生的电容变化与基础电容之间的比,如公式 1-5 所示。1b2994bf3641a9cdc9cfc1ed3521a6.jpg
对于互感触摸,提高灵敏度的主要方式为:1)降低覆层的厚度;2)增大 Tx 和 Rx 之间的间距。要注意虽然增大 Tx 和 Rx 之间的间距能够减小𝐶𝑅𝑇,提高检测距离,变相地提高灵敏度,但如果手指无法同时覆盖 Tx与 Rx,灵敏度反而会减小。
一般来说,对于自感与互感型电容检测,手指触摸产生的电容变化均在 1pF 左右。但自感的 base 电容(触摸前的电容值)一般会高于互感的 base 电容。因此相对来说互感的灵敏度更高,但也更易受噪声的影响。
从应用的角度来看,自感型方案由于结构简单使用的更广,而互感型方案更多的用于矩阵按键,以使支持的按键数远超过电容触摸的 IO 口数(自感型按键数)。两种方案之间的比较如表 2-1 所示。9831b6ee7fceae7daa7728b536b561.jpg

TI 的电容触摸感应技术 CapTIvate™以电荷转移采集为基础。该原理包括:
1)将传感器电容𝐶𝑒𝑞𝑢𝑎𝑙充电;
2)将累积电荷转移至内部采样电容𝐶𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 ,这两部分。

此过程将不断重复,直至 𝐶𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 两侧电压达到内部比较器的触发电压𝑉𝑡𝑟𝑖𝑝。达到阈值所需的电荷转移次数直接表征𝐶𝑒𝑞𝑢𝑎𝑙的大小。当电容传感器被人手触摸时,𝐶𝑒𝑞𝑢𝑎𝑙发生改变,这意味着 𝐶𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 电压达到 𝑉𝑡𝑟𝑖𝑝所需的电荷转移次数发生了变化,MCU 通过比较前后电荷转移次数的差异,来感知触摸事件的发生。MSP430 内部采用电流镜来控制𝐶𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 的输入电流和𝐶𝑒𝑞𝑢𝑎𝑙的放电电流之间的比例关系,以此来等效放大𝐶𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 ,从而拥有较大的量程。

对于自感检测,传感器电容𝐶𝑒𝑞𝑢𝑎𝑙等于 Tx I/O 口的对地电容,通过对地的充放电,将𝐶𝑒𝑞𝑢𝑎𝑙中的电荷转移到内部的𝐶𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 中,如图 2-6 所示。互感检测的传感器电容𝐶𝑒𝑞𝑢𝑎𝑙等于 Tx 与 Rx 两 I/O 之间的互电容。互感检
测的电路结构相比自感检测更为复杂,但实际上也是对地充放电。通过保持充放电前后对地电容两端电压不变的方式,来实现仅对互电容的电荷转移。

880a3fd1a3f7f4dd6113fa002de837.jpg

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表凡亿课堂立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容图片侵权或者其他问题,请联系本站作侵删。
相关阅读
进入分区查看更多精彩内容>
精彩评论

暂无评论