電容觸摸技術(shù)自問世以來，已進(jìn)軍各類應(yīng)用。觸摸技術(shù)始于初期手機(jī)的電阻式觸摸屏，但由于電阻式觸控傳感器的響應(yīng)速度較慢，靈敏度成為新設(shè)計(jì)的主要考慮因素，隨之而來便出現(xiàn)了電容式觸摸技術(shù)，而觸控界面也隨之在市場上迅速得到普及。

電容傳感技術(shù)基于以下原理：物體表面一旦有觸摸動作發(fā)生或者其他任何變化發(fā)生，就會改變該物體中某個區(qū)域的介電特性，從而改變所檢測到的電容，也就是產(chǎn)生電壓變化。與電阻觸摸技術(shù)相比，電容的變化非常快。通過增強(qiáng)表面物質(zhì)的介電特性，還可以提高變化速度。

電容傳感器能直接或間接感應(yīng)各類參數(shù)，其中包括電場、運(yùn)動、化學(xué)特性、加速度、流體特性、壓力等等。傳感器表面是圍繞某種介質(zhì)的電極，在檢測電路和激勵電壓的幫助下，該介質(zhì)能夠?qū)㈦娙葑兓D(zhuǎn)變?yōu)橐粋€變化的電壓。以下是計(jì)算電容變化的典型公式：

C＝（∈＿0 ∈＿r S）／d Farad．Meter。其中：

∈＿0是絕對電容率

∈＿r 是相對電容率

s 是表面面積

d 是板間距離。

此處的∈＿0＝ 8．854 X 〖10〗＾（－12）

圖1： 電容測量

與此類似，我們可以依據(jù)表面面積特性計(jì)算出其它對稱表面。對于非對稱電極，場線可以給出等勢面和通量線的近似值。因此，可以通過像素點(diǎn)方塊的數(shù)量估算出電容值。

基于電容傳感技術(shù)的觸摸模塊包括按鍵、滑塊、觸摸板、接近感應(yīng)傳感器、觸摸界面、旋轉(zhuǎn)編碼器以及其它可用于替代噪聲大、笨重的機(jī)械按鍵和開關(guān)的界面組件。與機(jī)械界面相比，它們不僅能夠縮小系統(tǒng)電路板尺寸，而且還能降低功耗。例如，電容觸摸界面通常工作于1．8V－5V之間，甚至低至0．9 V，但是它們在靈敏度、功耗要求和誤觸方面可能存在問題。

一個電容傳感子系統(tǒng)需要圖2中顯示的組件。覆蓋層是PCB（印刷電路板）上設(shè)備的頂層界面，與用戶直接接觸。它是一個光滑表面，用戶通過觸摸它執(zhí)行具體操作。覆蓋層可以是玻璃、木質(zhì)、丙烯酸、塑料或其它任何非導(dǎo)電材料。下一個組件是PCB。PCB根據(jù)介電常數(shù)及損耗選擇。種類包括：面向低成本應(yīng)用的FR4基板以及面向高成本應(yīng)用的低損耗RT／duroid高頻線路板材料基板。另一個重要組件是傳感器感應(yīng)點(diǎn)，要求非常靈敏，其設(shè)計(jì)和在PCB的布置有一定的標(biāo)準(zhǔn)。最后也是最重要的組件就是主控制器，它是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)觸摸界面所需的所有信號調(diào)節(jié)與處理工作的大腦。

圖2：電容傳感子系統(tǒng)的組件

電容測量可采用兩種方法完成：即互電容和自電容。

圖3 顯示了這兩種方法的工作原理。

圖3：互電容和自電容測量的工作原理

在自電容傳感器中，測量的是對地電容；而在互電容傳感器中，一個Tx電極和一個 Rx電極均被用于檢測觸摸和非觸摸操作。但觸摸發(fā)生時，信號從Tx電極流向Rx電極。該信號與互電容直接成正比。因此，當(dāng)觸摸發(fā)生時，互電容降低，而自電容升高。自電容一般用于單點(diǎn)觸摸應(yīng)用（即單手指界面），而多點(diǎn)觸摸應(yīng)用（即可以使用多個手指，如二指手勢）需要互電容。

設(shè)計(jì)方法

雖然電容傳感技術(shù)可提供令用戶滿意的界面，但設(shè)計(jì)人員需要維持穩(wěn)定的性能，同時滿足預(yù)算限制。魯棒性、可靠性、精度和靈敏度是工程師必須為基于電容觸摸的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵特性。我們在本節(jié)將探討工程師需要解決哪些問題才能有效實(shí)現(xiàn)消費(fèi)應(yīng)用中的電容傳感設(shè)計(jì)。

控制器的選擇

控制器選擇是設(shè)計(jì)過程中非常重要的一環(huán)。市場上目前有眾多控制器，每種都有其特殊的能力和特性。適合電容傳感的控制器應(yīng)在芯片中內(nèi)置一個良好的模擬電路，以實(shí)現(xiàn)較高的SNR（信噪比 ），維持性能和精度。此外，還建議控制器支持信號調(diào)節(jié)功能，因?yàn)樘幚黼娙菪盘枺ㄓ绕涫窃谀切┒帱c(diǎn)觸摸應(yīng)用中）需要進(jìn)行大量的信號調(diào)節(jié)。增加用于信號調(diào)節(jié)的驅(qū)動器、緩存器或轉(zhuǎn)換器等額外硬件通常不是什么好主意，因?yàn)檫@些組件可能會增加路徑噪聲和損耗以及物料（BOM）成本。設(shè)計(jì)用于傳輸模擬數(shù)據(jù)的走線也需要特殊技能，因?yàn)樽呔€尺寸決定了信號強(qiáng)度，而后者與阻抗匹配成正比。

PSoC（可編程片上系統(tǒng)）控制器內(nèi)置電容檢測感應(yīng)功能以及運(yùn)算放大器、互阻抗放大器（TIA）等信號調(diào)理電路，它們能讓工程師在不增加硬件的情況下將傳感器與控制器直接對接。 電容傳感技術(shù)對水和濕氣也很敏感。這有可能影響洗衣機(jī)、冰箱等應(yīng)具備防潮能力的應(yīng)用的性能和可靠性。水也有電容率，因此會增加電容值，影響電容觸摸效果。因此，電容感應(yīng)傳感器必須具備防水性，從而讓控制器具備防水功能。

很多消費(fèi)級系統(tǒng)都可以采用以下方式降低成本：使用一個性能較低的處理器，將模擬傳感器數(shù)據(jù)和電容測量結(jié)果傳輸至離線處理。目前，BLE傳輸技術(shù)通常被用于向安卓和iOS應(yīng)用傳輸數(shù)據(jù)。其它應(yīng)用可能需要使用WiFi、ZigBee或 WiMax等其它無線通信技術(shù)。一個支持無線功能的控制器可極大簡化設(shè)計(jì)。