电容触摸的基本知识与原理

硬件笔记本 2024-07-01 07:49

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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

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。

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

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。

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。

A: 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

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。

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。

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。

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。

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