電容觸摸的基本知識與原理

硬件筆記本 2024-07-01 07:49

找芯片數(shù)據(jù)手冊、參考設(shè)計和開發(fā)工具？ 【資料下載】分立電流源淘汰！IDAC高精度電路干貨

點(diǎn)擊上方名片關(guān)注了解更多

概述

電容式觸摸感應(yīng)，是一種通過電容的變化來檢測手指接近或觸及觸摸表面的技術(shù)。通過電容式感應(yīng)，機(jī)械開關(guān)和旋鈕可替換為外觀雅致的按鈕、滑條和滾輪，以解決：

1. 長時間使用后磨損和可靠性降低

2. 前面板與按鍵之間存在縫隙，容易被水分滲透，而引起不良

3. 需施加力度才能觸發(fā)

4. 前面板開孔會一定程度上增加成本

5. 按鍵形狀較為固定

基本原理

常見的電容觸摸傳感器如圖2-1所示，一般以PCB上的覆銅作為電極。結(jié)構(gòu)上，頂層會覆蓋非導(dǎo)電性的防護(hù)層，如玻璃或塑料，利用膠水和PCB粘連。另外傳感器周圍會覆有網(wǎng)格地。

基于所檢測電容的類型，電容觸摸可分為自感型電容檢測（檢測單電極和地之間的電容值），互感型電容檢測（檢測雙電極之間的電容值）。

自感型電容檢測

以最簡單的單按鍵為例，自感型電容的檢測示意圖如圖 2-2 所示，檢測模型如圖 2-3 所示。自感型電容利用覆銅形成的單電極（接收電極Rx），來檢測電極對地的電容變化。按鍵對地的初始電容為Cp，當(dāng)人手觸摸時，會給整個環(huán)路引入 Ct，Ch 與 Cg，從而使按鍵的對地電容增大。

說明：實(shí)線表示實(shí)際走線，虛線表示非實(shí)際走線?；疑骷硎镜刃щ娙莼螂娮琛?/span>

Rh: 人體電阻。

Rs: 串聯(lián)電阻，推薦值為 470Ω。

Cp: 按鍵與所連導(dǎo)線的對電源地寄生電容。

Cg: 電源地與大地之間的電容。對于電池應(yīng)用，大約為 1pF。對于接地應(yīng)用為短路。

Ch: 人體與大地之間的串聯(lián)電容。

Ct: 電級與人指尖形成的電容，類似于平板電容器結(jié)構(gòu)。

Cd: 人手與電源地形成的電容。

為便于分析，忽略 Rh，Rs 的影響。按鍵對地的等效電容如公式 1-1 所示。靈敏度可以表征為觸摸產(chǎn)生的電容變化與基礎(chǔ)電容之間的比，如公式 1-1 所示。其中由于 Ch 較于 Cg 和 Ct 較大，因此可忽略。在地平面較稀時，????較小，因此???? + ????可約等于????。

A: 手指與傳感器墊片覆蓋層的接觸面積。

d: 覆蓋層的厚度。

ε0: 空氣介電常數(shù)。

εr: 覆蓋層的介電常數(shù)。

由公式 1-2 和 1-3 可知，提高靈敏度的方法有：

1）減小蓋板的厚度，提高蓋板的????，從而提高????；

2）減小網(wǎng)格地的密度，或增加 PCB 的厚度，從而降低????；

3）由于????與????數(shù)量級相同，合理的將電源地與大地相連從而增加????；

4）合理的增大電極的面積，通過提高手指與傳感器墊片覆蓋層的接觸面積 A 來提高 Ct。

要注意，無法通過無限增大電極的方式來增加靈敏度。主要因?yàn)槠叫邪咫娙?Ct 的最大有效面積與手指觸摸面積相同，另外過大的電極面積無法增加觸摸信號強(qiáng)度，反而會增加????，導(dǎo)致靈敏度降低。

互感型電容檢測

如圖 2-4 所示，互感型電容利用覆銅形成的雙電極（接收電極 Rx，發(fā)送電極 Tx）來檢測兩電極之間電容的變化?；ジ行碗娙輽z測的最大特點(diǎn)是可以忽略按鍵對電源地的寄生電容 Cp 的影響。以最簡單的單按鍵為例，互感型電容的檢測模型如圖 2-5 所示。當(dāng)人手觸摸時，CRT 變成兩個 2CRT，同時引入 CRTt，Ct，Ch 與 Cg。最終使雙電極間的電容減小。

說明：實(shí)線表示實(shí)際走線，虛線表示非實(shí)際走線?；疑骷硎镜刃щ娙莼螂娮?。

CRTt: 手指觸摸引入的Rx和Tx電極之間的并聯(lián)電容。

CRT: Rx和Tx電極之間的電容，當(dāng)人手觸摸時，等效分為兩個容值2CRT的電容。

Tx 與 Rx 之間的等效電容如公式1-4所示。靈敏度可以表征為觸摸產(chǎn)生的電容變化與基礎(chǔ)電容之間的比，如公式 1-5 所示。

對于互感觸摸，提高靈敏度的主要方式為：

1）降低覆層的厚度；

2）增大 Tx 和 Rx 之間的間距。要注意雖然增大 Tx 和 Rx 之間的間距能夠減小??????，提高檢測距離，變相地提高靈敏度，但如果手指無法同時覆蓋 Tx與 Rx，靈敏度反而會減小。

一般來說，對于自感與互感型電容檢測，手指觸摸產(chǎn)生的電容變化均在 1pF 左右。但自感的 base 電容（觸摸前的電容值）一般會高于互感的 base 電容。因此相對來說互感的靈敏度更高，但也更易受噪聲的影響。

從應(yīng)用的角度來看，自感型方案由于結(jié)構(gòu)簡單使用的更廣，而互感型方案更多的用于矩陣按鍵，以使支持的按鍵數(shù)遠(yuǎn)超過電容觸摸的 IO 口數(shù)（自感型按鍵數(shù)）。兩種方案之間的比較如表 2-1 所示。

TI 的電容觸摸感應(yīng)技術(shù) CapTIvate?以電荷轉(zhuǎn)移采集為基礎(chǔ)。該原理包括：
1）將傳感器電容????????????充電；
2）將累積電荷轉(zhuǎn)移至內(nèi)部采樣電容?????????????? ，這兩部分。

此過程將不斷重復(fù)，直至 ?????????????? 兩側(cè)電壓達(dá)到內(nèi)部比較器的觸發(fā)電壓??????????。達(dá)到閾值所需的電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)直接表征????????????的大小。當(dāng)電容傳感器被人手觸摸時，????????????發(fā)生改變，這意味著 ?????????????? 電壓達(dá)到 ??????????所需的電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)發(fā)生了變化，MCU 通過比較前后電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)的差異，來感知觸摸事件的發(fā)生。MSP430 內(nèi)部采用電流鏡來控制?????????????? 的輸入電流和????????????的放電電流之間的比例關(guān)系，以此來等效放大?????????????? ，從而擁有較大的量程。

對于自感檢測，傳感器電容????????????等于 Tx I/O 口的對地電容，通過對地的充放電，將????????????中的電荷轉(zhuǎn)移到內(nèi)部的?????????????? 中，如圖 2-6 所示。互感檢測的傳感器電容????????????等于 Tx 與 Rx 兩 I/O 之間的互電容?；ジ袡z
測的電路結(jié)構(gòu)相比自感檢測更為復(fù)雜，但實(shí)際上也是對地充放電。通過保持充放電前后對地電容兩端電壓不變的方式，來實(shí)現(xiàn)僅對互電容的電荷轉(zhuǎn)移。

聲明：

聲明：文章來源TI。本號對所有原創(chuàng)、轉(zhuǎn)載文章的陳述與觀點(diǎn)均保持中立，推送文章僅供讀者學(xué)習(xí)和交流。文章、圖片等版權(quán)歸原作者享有，如有侵權(quán)，聯(lián)系刪除。
投稿/招聘/推廣/宣傳請加微信：woniu26a

推薦閱讀▼

電路設(shè)計-電路分析
EMC相關(guān)文章
電子元器件

后臺回復(fù)“加群”，管理員拉你加入同行技術(shù)交流群。

登錄閱讀全文



免責(zé)聲明：該內(nèi)容由專欄作者授權(quán)發(fā)布或作者轉(zhuǎn)載，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)，本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。若內(nèi)容或圖片侵犯您的權(quán)益，請及時聯(lián)系本站刪除。侵權(quán)投訴聯(lián)系：? nick.zong@aspencore.com！

硬件筆記本一點(diǎn)一滴，厚積薄發(fā)。

進(jìn)入專欄

評論