手持移動設備的觸摸傳感技術簡介

智能手機等新型消費電子產品使得觸摸屏開始風靡，觸摸傳感器提供方便的控制方式，幾乎可用于控制任何類型的設備。

觸摸傳感控制器目前提供一些通用的性能選項和形態，如滑塊和鄰近傳感器。觸摸傳感器技術的進步使傳感器驅動型接口更易于實現，對終端用戶更為直觀和簡單。

大多數觸摸傳感控制器依據所檢測到的電容變化來工作(見圖1)——當某種物體或某個人接近或觸摸傳感器的導電金屬片時，手指與金屬片之間的電容發生變化。導電物體(如手指)在傳感器附近移動將改變電容傳感器的電場線并使電容發生變化。控制電路可測出電容的變化。

工業應用系統從多年前開始就使用這種電容檢測技術來測量液位、濕度和材料成份。這種從這些應用發展而來的技術逐漸演化成人機接口。

觸摸傳感器接口通常通過測量與傳感器墊片相連的電路的阻抗來檢測電容變化。觸摸控制器周期性地測量傳感器輸入通道的阻抗并用這些值來導出一個內部基準，即校準阻抗。控制器以這個阻抗值為基礎判定是否發生了觸摸事件。

下面的簡化公式表明了手指逼近對觸摸墊片電容產生的主要影響。這個公式可用于確定傳感器墊片的電容和強度。

* C表示電容，單位為法拉

* A是單個金屬墊片的面積，單位為平方米

* εr是金屬墊片間材料的相對靜態介電常數(真空=1)

* ε0是自由空間的介電常數=8.854×10(SUP/)-12(/SUP)F/m

* D是板之間的距離或間隔，單位為米。

另外，觸摸強度隨壓力、觸摸面積或電容的增加而增大。D減小等價于電容增大或觸摸強度增大。

這個方程表明，覆膜厚度及其介電常數對觸摸強度影響很大。該方程還表明，電容傳感器本質上對周圍環境和觸摸激勵的特性敏感——不管觸摸來自手指、乙烯基、橡膠、棉花、皮革或水(見圖1)。

圖1：觸摸靈敏度依賴于覆膜材料、墊片尺寸和厚度。

表1列出了各種常用覆膜材料的介電常數。我們可以基于這些值來考察觸摸傳感器在廚房中的應用，因為在廚房中這些傳感器很容易濺上食用油。

表1：介電常數。

典型的食用油如橄欖油或杏仁油的介電常數在2.8-3.0之間。石蠟在華氏68度時的介電常數在2.2-4.7之間。這些材料的介電常數接近甚至小于傳感器常用覆膜聚碳酸脂(2.9-3.2)或ABS材料(2.87-3.0)的介電常數。因而，油對傳感器的操作沒有多大影響。

相反，甘油的介電常數在47-68之間，水的介電常數約為80。盡管這些材料的介電常數比覆膜材料高，對于使用數字觸摸檢測技術(如ATLab公司開發并擁有產權的FMA1127觸摸傳感器控制器所使用的技術)的觸摸傳感器來說，由于傳感器墊片和濺上的液體都沒有接地，濺上這些液體不會引起任何異常行為。

盡管觸摸傳感器的操作細節和接口依賴于具體的應用，一般來說，容性傳感器接口電路和檢測方法有模擬和數字兩種類型。一種模擬技術是測量頻率或工作周期，這些量因為在手指和地之間引入額外的電容而發生變化(見圖2)。

圖2： 模擬觸摸方案；由于需使用參考地，可能會受到水滴的影響。

利用這種技術和高分辨率的模數轉換器(ADC)，可以把測到的模擬電壓轉換成數字代碼。得益于混合信號技術的進步，最新款的電容/數字轉換器把高性能模擬前端與低功率高性能ADC集成在一起。

模擬接口電路的一個缺點是容性傳感器可能會受到難以捉摸的噪聲、串擾、耦合的影響。另外，傳感器輸出的動態范圍受到電源電壓的限制，而隨著半導體制造技工藝節點的縮小該電源電壓在不斷降低。

如果使用深亞微米CMOS技術把傳感器電路與復雜的數字信號處理模塊集成到相同的基底上，情況會變得更具挑戰性。為避免外部干擾，該器件可能會要求使用軟件工作區，這增加了與之接口的微控制器的存儲器開銷和性能開銷。

全數字傳感方法(見圖3)可避免與模擬方法有關的問題。數字方法通過使電容成為RC延時線的一部分來檢測傳感器電容的變化。

圖3：數字觸摸方案；在存在水滴時仍具有魯棒的性能。

圖3中簡單的全數字型時間/數字轉換器(TDC)測量該延時線相對于基準RC延時線的差并輸出阻抗的變化。寄生電容對RC延時的影響可通過加電補償來消除。

手指碰到傳感器墊片使電容增大進而提高了RC延時時間并導致阻抗變化。把這個阻抗與校準阻抗對比可確定是否發生了觸摸事件。該傳感方案很容易通過調整RC延時線的電阻來改善性能。