電容式觸摸傳感技術(shù)的性能優(yōu)化與應(yīng)用

隨著觸摸屏變得越來越復(fù)雜，使用它們進(jìn)行設(shè)計(jì)變得更具挑戰(zhàn)性。幸運(yùn)的是，良好設(shè)計(jì)的規(guī)則沒有改變，并且有許多解決方案可以幫助您應(yīng)對挑戰(zhàn)。

人機(jī)界面(HMI)在過去幾年中經(jīng)歷了一場革命。機(jī)械QWERTY鍵盤及其相關(guān)鼠標(biāo)不再受到光滑觸摸屏取代的青睞。人們只需要考慮移動(dòng)手機(jī)的發(fā)展，看看制造商如何在放棄鍵盤時(shí)急于推出具有更大和更好觸摸屏的產(chǎn)品。

觸摸控制多年來一直用于不那么迷人的應(yīng)用。例如，支持觸摸的鍵盤在許多家用電器(如微波爐和洗碗機(jī))中很流行，取代了昂貴且不可靠的機(jī)械鍵盤。觸摸屏已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)置中，因?yàn)樗鼈兎浅＿m合通常遇到的惡劣操作環(huán)境。除了這些優(yōu)點(diǎn)之外，觸摸屏采用的主要?jiǎng)訖C(jī)之一是機(jī)械部件磨損和損壞使用。例如，雖然鍵盤和鼠標(biāo)已被證明是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相對耐用的HMI，但它們最終會(huì)破壞。骯臟，多塵或潮濕的環(huán)境增加了早期失效的可能性，因?yàn)轭w粒和水分會(huì)進(jìn)入機(jī)械部件并加速磨損。最后，鍵盤和開關(guān)幾乎不是最衛(wèi)生的設(shè)備。雖然這對于工業(yè)或家庭環(huán)境來說可能不是一個(gè)大問題，但它肯定是醫(yī)療應(yīng)用中的一個(gè)主要問題。

本文將介紹電容式觸摸傳感，這是目前使用的最流行的觸摸屏技術(shù)，以及將描述通過改善響應(yīng)和最小化錯(cuò)誤觸摸來改善用戶體驗(yàn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，其中設(shè)備對靠近傳感器按鈕的手指作出反應(yīng)而不是用戶的刻意觸摸。

電容式觸摸控制基礎(chǔ)知識

設(shè)計(jì)人員可以使用多種技術(shù)進(jìn)行觸摸控制，包括電感，電阻和電容。每個(gè)都有其優(yōu)點(diǎn)，特別是消除易磨損的機(jī)械部件，但電容式觸摸技術(shù)已被證明是近年來最受歡迎的。這是因?yàn)樗峁┝藖碜詡鞲衅飨路斤@示器的更高光傳輸 - 與電阻技術(shù)的80%相比超過90% - 這對于具有明亮，高分辨率屏幕的智能手機(jī)等設(shè)備尤其重要。

其他優(yōu)勢包括更快響應(yīng)，通過“低壓”觸摸(例如，手指而不是手寫筆)激活，處理多個(gè)觸摸的能力，更大的活動(dòng)區(qū)域以及更少的磨損易感性。

有幾種類型的電容式觸摸傳感器技術(shù)，包括表面電容和投射電容，但都是基于手指的應(yīng)用改變局部區(qū)域的電容這一事實(shí)，使系統(tǒng)的電子設(shè)備能夠檢測觸摸并確定其在屏幕上的位置。圖1a和1b說明了原理。

圖1a：在電容式觸摸屏系統(tǒng)中，傳感器和銅接地之間產(chǎn)生電容(CP)。 “邊緣”電場也穿過覆蓋層。 (賽普拉斯半導(dǎo)體提供)。

圖1b：沒有手指存在，傳感器的測量電容(CX)基本上等于CP。當(dāng)手指存在時(shí)，CX是CP和CF的總和。 (賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供)。

材料和PCB設(shè)計(jì)的選擇對CP和CF的值有重大影響。我們將看看CP后來如何受到影響。 CF的值可以通過以下公式確定：

CF =(ε0εrA)/D

其中：

ε0=自由空間介電常數(shù)

εr=疊加的介電常數(shù)

A =手指和傳感器焊盤重疊的面積

D =疊加厚度

從公式中可以看出，選擇具有較高介電常數(shù)的覆蓋材料，減小覆蓋層厚度，增加按鈕直徑將提高CF的值并增加系統(tǒng)的靈敏度。

取決于設(shè)計(jì)，CP通常測量在10到300 pF之間。相比之下，CF更小，可能在0.1到10 pF之間。為了使設(shè)計(jì)人員的生活更加困難，CP(也稱為寄生電容)隨環(huán)境條件(如溫度和濕度)的變化而變化。因此，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是，在應(yīng)用手指時(shí)，盡可能增加整體傳感器電容的百分比 - 換句話說，最大化信噪比(SNR) - 以確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地識別虛假觸摸的真實(shí)觸感。

設(shè)計(jì)觸摸屏PCB

幸運(yùn)的是，有一些硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)工程師提高觸摸屏控制設(shè)計(jì)的SNR。

讓我們開始吧通過考慮PCB。典型的觸摸屏設(shè)計(jì)采用雙層電路板(電路板厚度范圍為0.5至1.6 mm)，傳感器焊盤和陰影接地平面位于頂部，其他所有位于底部(參見圖2)。當(dāng)板面積必須最小化時(shí)，可以使用四層板。

圖2：典型的觸摸屏設(shè)計(jì)，傳感器位于雙層板頂部，組件位于底部。 (賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供)。

使用短而窄的走線可以最大限度地減少寄生電容。痕跡長度應(yīng)小于300毫米，寬度應(yīng)在0.17至0.20毫米之間。最好將傳感器走線布置在PCB的底層，并使用通孔將每個(gè)傳感器走線連接到相關(guān)的傳感器墊。應(yīng)將通孔放置在焊盤上，以使傳感器走線長度最小化(參見圖3)。采用這種布線方法，當(dāng)應(yīng)用手指時(shí)，它只會(huì)與傳感器墊相互作用，而不會(huì)與跡線相互作用。

設(shè)計(jì)人員不應(yīng)將跡線直接布置在任何傳感器墊下，除非跡線連接到該特定傳感器。此外，電容式傳感跡線不應(yīng)與高頻通信線路緊密接觸或平行。如果無法避免與傳感器走線交叉通信線路，請確保交叉點(diǎn)處于直角

圖3：通過傳感器板上的位置，使傳感器走線長度最小化(底層上的跡線，頂層上的傳感器墊)。 (賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供)。

觸摸傳感器設(shè)計(jì)需要接地填充，以最大限度地降低EMI對電容式傳感系統(tǒng)的影響。然而，需要權(quán)衡，因?yàn)楫?dāng)接地填充與傳感器焊盤相鄰時(shí)，會(huì)增加系統(tǒng)的寄生電容，降低其靈敏度。一個(gè)很好的折衷方案是在頂層使用陰影線15%的地面填充(例如，0.18 mm線，1.14 mm間距)和底層10%(例如，0.18 mm線，1.78 mm間距)。

使用帶陰影的接地填充時(shí)，傳感器板和接地層之間的間隙會(huì)影響相關(guān)按鈕的靈敏度。具體而言，傳感器寄生電容的大小與按鍵和接地層之間產(chǎn)生的電場有關(guān)(見圖1a)。事實(shí)證明，當(dāng)按鈕周圍的間隙增大時(shí)，寄生電容會(huì)減小。圖4說明了這種關(guān)系。在該圖中，板材為FR4，厚度為1.57mm，丙烯酸覆蓋層的厚度為2mm。每個(gè)圖包含三個(gè)按鈕尺寸(直徑5，10和15 mm)的數(shù)據(jù)。

圖4：作為按鈕離地間隙和按鈕直徑的函數(shù)的寄生電容(CP)。 (賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供)。

按鈕旨在感知手指的存在。形狀和大小會(huì)影響觸摸傳感器的靈敏度。角度小于90度的形狀(如三角形)效果不佳，正方形更好，實(shí)心圓最佳。較大的按鈕通常比較小的按鈕更好。嘗試使按鈕大小與指尖區(qū)域相匹配是一個(gè)好主意，該區(qū)域?qū)⑴c傳感器接觸。圖5繪制了不同尺寸按鈕的手指電容(CF)占傳感器電容(CSENSOR)的百分比。

圖5：不同尺寸實(shí)心圓形按鈕的CF/CSENSOR比率。 (賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供)

消除錯(cuò)誤觸摸

觸摸屏電路在沒有手指(啟動(dòng)電容)的情況下會(huì)產(chǎn)生固有的寄生電容。如果起始電容大，則來自手指觸摸的電容的增加引起相對較小的變化，因此更難以檢測。換句話說，降低啟動(dòng)電容會(huì)增加電容式觸摸傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。

前面討論的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)將有助于增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，但還有更多工作要做，尤其是當(dāng)它消除“虛假觸摸” - 傳感器注冊的觸摸但用戶不打算接觸。

屏幕尺寸越小，挑戰(zhàn)越嚴(yán)峻。例如，與移動(dòng)手機(jī)觸摸屏上的特征相比，手指的尖端相對較大，因此與例如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器相比，確定哪個(gè)按鈕實(shí)際被選擇變得更加困難。

問題是當(dāng)多個(gè)鍵靠近時(shí)，因?yàn)榭拷鼈鞲衅鞯珜?shí)際上沒有接觸的手指仍會(huì)產(chǎn)生可測量的電容增加并產(chǎn)生錯(cuò)誤的讀數(shù)(見圖6)。

圖6：當(dāng)手指接近傳感器墊而沒有實(shí)際接觸時(shí)，可能會(huì)發(fā)生誤觸摸。 (賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供)。

每個(gè)傳感器走線都成為它所連接的電容式傳感器的擴(kuò)展，因此不良的布線可以將電容從一個(gè)傳感器耦合到另一個(gè)傳感器 - 特別是如果跡線指向附近的傳感器 - 并增加虛假觸摸的可能性緊密分組的按鈕是一個(gè)特別的問題，因?yàn)槭种缚赡軙?huì)使相鄰按鈕與要按壓的按鈕重疊。將具有接地環(huán)的組中的每個(gè)傳感器包圍在一起可以幫助隔離每個(gè)傳感器。然而，使用接地環(huán)是一種權(quán)衡，因?yàn)槿缜八觯拷|摸傳感器的跡線會(huì)增加寄生電容并降低傳感器靈敏度。

半導(dǎo)體供應(yīng)商的幫助

除了PCB設(shè)計(jì)變更外，觸摸控制技術(shù)提供商還可以提供一些創(chuàng)新技術(shù)，以盡量減少錯(cuò)誤觸摸的可能性。例如，賽普拉斯半導(dǎo)體公司的CapSense®技術(shù)允許設(shè)計(jì)工程師調(diào)整電路，以實(shí)現(xiàn)最佳信噪比(SNR)，以確保觸摸檢測并濾除誤觸摸。

系統(tǒng)基于公司的CY8C20XX6A技術(shù)可在手指不存在時(shí)持續(xù)測量寄生電容。該測量值被轉(zhuǎn)換為數(shù)字計(jì)數(shù)，以便通過確定設(shè)定時(shí)間內(nèi)的平均計(jì)數(shù)數(shù)來設(shè)置噪聲基線。這種寄生電容的不斷更新意味著如果電容由于環(huán)境因素(例如熱量和濕度的增加)而發(fā)生變化，系統(tǒng)可以“重置”基線。

當(dāng)手指存在時(shí)，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)頻繁地測量電容的順序建立“觸摸”信號的平均值。圖7顯示了基于CapSense的系統(tǒng)的實(shí)際傳感器數(shù)據(jù)樣本。注意，從許多寄生電容測量建立的噪聲基線被轉(zhuǎn)換成數(shù)字計(jì)數(shù)。類似地，當(dāng)存在手指以確定信號閾值時(shí)執(zhí)行許多計(jì)數(shù)。在這種情況下，SNR為5：1。

圖7：賽普拉斯半導(dǎo)體CapSense®系統(tǒng)的輸出。

在制造環(huán)境中，“相同”設(shè)計(jì)將展示一系列CP ，CF和CX值會(huì)影響系統(tǒng)靈敏度。通過分析CapSense輸出，裝配技術(shù)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)工程師設(shè)置的SNR閾值(例如，4.75：1)來傳遞或拒絕產(chǎn)品。

就其本身而言，STMicroelectronics提供其S-Touch™產(chǎn)品，例如STMPE16M31QTR用于電容式觸摸屏。 S-Touch技術(shù)基于兩個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，均由相同的信號驅(qū)動(dòng)。其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是參考，而另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接到傳感器。當(dāng)手指觸摸焊盤時(shí)，電容增加，延長了RC網(wǎng)絡(luò)與參考電壓相比的時(shí)間常數(shù)。根據(jù)延遲的長度，S-Touch可以確定它是故意觸摸，誤觸摸還是噪聲(見圖8)。

圖8：STMicroelectronics的S-Touch™技術(shù)(無觸摸延遲ZREF - ZIN = A，觸摸延遲ZREF-ZIN = B，如果BA》閾值則觸摸被注冊)。

S-Touch技術(shù)利用連接到校準(zhǔn)單元的數(shù)據(jù)檢測引擎持續(xù)運(yùn)行校準(zhǔn)程序，以考慮環(huán)境影響的變化，如溫度和濕度。最后，數(shù)據(jù)過濾塊應(yīng)用兩個(gè)濾波器，一個(gè)用于消除噪聲，另一個(gè)用于抑制與被觸摸的傳感器相鄰的傳感器的信號，以消除誤觸摸。

觸摸屏技術(shù)繼續(xù)快速發(fā)展。制造商已經(jīng)在推廣先進(jìn)技術(shù)，包括允許同時(shí)檢測多個(gè)手指觸摸的技術(shù)和投射電容，即使用戶甚至不必直接觸摸屏幕。簡單地移動(dòng)手指足以觸發(fā)響應(yīng)。

確?？焖?，準(zhǔn)確響應(yīng)而不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤觸摸的基本設(shè)計(jì)規(guī)則保持不變。旨在實(shí)現(xiàn)高靈敏度，使控制電子設(shè)備可以輕松區(qū)分噪聲，誤觸摸和預(yù)期觸摸，并建立校準(zhǔn)，以便系統(tǒng)可以應(yīng)對環(huán)境條件的變化。