電容式觸摸傳感器設計技巧

電容式觸摸傳感器設計技巧

觸摸傳感器已經被廣泛使用很多年了。但近期混合信號可編程器件的發展，讓電容式觸摸傳感器已成為各種消費電子產品中機械式開關的一種實用、增值型替代方案。

典型的電容式傳感器覆蓋層的厚度為3mm或更薄。隨著覆蓋層厚度的增加，手指觸摸的傳感將變得越來越困難。換句話說，伴隨著覆蓋層厚度的增加，系統調整過程將必須從科學向藝術發展。為了說明如何制作一個能夠提升目前技術極限的電容式傳感器，本文所述的實例中選用玻璃覆蓋層的厚度為10mm。玻璃使用簡單，隨處可見，而且是透明的，所以你可以看到下面的感應墊。玻璃覆蓋層還可直接應用于白色家電。

手指電容

任何電容式觸摸傳感系統的核心都是一組與電場相互作用的導體。人體皮膚下面的組織中充滿了傳導電解質---這是一種有損電介質。正是手指的這種導電特性使得電容式觸摸傳感成為可能。

簡單的平行板電容器有兩個導體，這兩個導體之間隔著一層電介質。該系統中的大部分能量直接聚集在電容器極板之間。少許能量會泄露到電容器極板以外的空間，而由這些泄露能量所形成的電場叫做邊緣場。制作實用電容式傳感器的部分難題在于需要設計一套印刷電路板軌線，來將邊緣場引導到用戶易接近的有效感應區域中。平行板電容器不是這種傳感器模式的理想選擇。

當把手指放在邊緣電場的附近時，電容式傳感系統的導電表面積會增加。由手指所產生的額外電荷存儲容量，就是我們所知的手指電容CF。在本文中，無手指觸摸時的傳感器電容用CP來表示，意指寄生電容。

關于電容式傳感器人們常有這樣的誤解：為了使系統正常工作，手指必須接地。實際上，手指之所以被傳感是因為它帶有電荷，而與其是否懸空或接地完全無關。

傳感器的PCB布局

圖1顯示了一塊PCB的頂視圖，該PCB應用了本設計案例中的一個電容式傳感器按鍵。

圖1：PCB頂視圖。

這個按鍵的直徑為10mm，相當于一個成人指尖的平均尺寸。為該演示電路而組裝的PCB帶有4個按鍵，其中心相隔20mm。如圖1中所示，接地平面也位于頂層。金屬感應墊和接地平面之間設置了一個均勻的隔離間隙。該間隙的尺寸是一個重要的設計參數。如果間隙設置得過小，則過多的電場能量將直接傳遞至地。而如果間隙設置得過大，則將無法控制能量穿越覆蓋層的方式。將間隙尺寸選為0.5mm，可以很好地使邊緣場透過10mm厚的玻璃覆蓋層。

圖2展示了同一種傳感器模式的截面圖。

圖2：傳感器的PCB和覆蓋層截面圖。

如圖所示，PCB上的一個過孔將金屬感應墊與電路板底面上的印制導線相連。當電場試圖找到最短的接地路徑時，介電常數εr將影響進入材料中的電場能量的密度。標準玻璃窗的εr約為8，PCB的FR4材料的εr約為4，而白色家電中常用的耐熱玻璃的εr大約為5。本設計案例中采用的是標準的窗玻璃。需要注意的是，在PCB上貼有玻璃紙，即3M公司的468-MP絕緣膠膜。

電容式傳感系統101

該電容式傳感系統的基本元件包括：一個可編程電流源、一個精密模擬比較器和一根用來按順序傳輸一組電容式傳感器信號的多路復用總線。在本文所討論的系統中，一個弛張振蕩器起著電容傳感器的作用。該振蕩器的簡化電路示意圖如圖3所示。

圖3：電容式傳感弛張振蕩器電路。

比較器的輸出被送進脈沖寬度調制器(PWM)的時鐘輸入電路，這個PWM對一個時鐘頻率為24MHz的16位計數器進行門控。傳感器上面的手指使電容增大，進而導致計數值增加。手指的存在就是基于這一原理來檢測到的。圖4展示了該系統的典型波形。

圖4：電容式傳感弛張振蕩器電路的波形。