電容式觸摸傳感技術的性能優化與應用

隨著觸摸屏變得越來越復雜，使用它們進行設計變得更具挑戰性。幸運的是，良好設計的規則沒有改變，并且有許多解決方案可以幫助您應對挑戰。

人機界面（HMI）在過去幾年中經歷了一場革命。機械QWERTY鍵盤及其相關鼠標不再受到光滑觸摸屏取代的青睞。人們只需要考慮移動手機的發展，看看制造商如何在放棄鍵盤時急于推出具有更大和更好觸摸屏的產品。

觸摸控制多年來一直用于不那么迷人的應用。例如，支持觸摸的鍵盤在許多家用電器（如微波爐和洗碗機）中很流行，取代了昂貴且不可靠的機械鍵盤。觸摸屏已廣泛應用于工業控制設置中，因為它們非常適合通常遇到的惡劣操作環境。除了這些優點之外，觸摸屏采用的主要動機之一是機械部件磨損和損壞使用。例如，雖然鍵盤和鼠標已被證明是計算機系統相對耐用的HMI，但它們最終會破壞。骯臟，多塵或潮濕的環境增加了早期失效的可能性，因為顆粒和水分會進入機械部件并加速磨損。最后，鍵盤和開關幾乎不是最衛生的設備。雖然這對于工業或家庭環境來說可能不是一個大問題，但它肯定是醫療應用中的一個主要問題。

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，以及將描述通過改善響應和最小化錯誤觸摸來改善用戶體驗的設計技術，其中設備對靠近傳感器按鈕的手指作出反應而不是用戶的刻意觸摸。

電容式觸摸控制基礎知識

設計人員可以使用多種技術進行觸摸控制，包括電感，電阻和電容。每個都有其優點，特別是消除易磨損的機械部件，但電容式觸摸技術已被證明是近年來最受歡迎的。這是因為它提供了來自傳感器下方顯示器的更高光傳輸 - 與電阻技術的80％相比超過90％ - 這對于具有明亮，高分辨率屏幕的智能手機等設備尤其重要。

其他優勢包括更快響應，通過“低壓”觸摸（例如，手指而不是手寫筆）激活，處理多個觸摸的能力，更大的活動區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，包括表面電容和投射電容，但都是基于手指的應用改變局部區域的電容這一事實，使系統的電子設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中，傳感器和銅接地之間產生電容（CP）。 “邊緣”電場也穿過覆蓋層。 （賽普拉斯半導體提供）。

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

材料和PCB設計的選擇對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

εr=疊加的介電常數

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的值并增加系統的靈敏度。

取決于設計，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。為了使設計人員的生活更加困難，CP（也稱為寄生電容）隨環境條件（如溫度和濕度）的變化而變化。因此，設計人員面臨的挑戰是，在應用手指時，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） - 以確保系統能夠準確地識別虛假觸摸的真實觸感。

設計觸摸屏PCB

幸運的是，有一些硬件和軟件設計技術可以幫助設計工程師提高觸摸屏控制設計的SNR。

讓我們開始吧通過考慮PCB。典型的觸摸屏設計采用雙層電路板（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）。當板面積必須最小化時，可以使用四層板。

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

使用短而窄的走線可以最大限度地減少寄生電容。痕跡長度應小于300毫米，寬度應在0.17至0.20毫米之間。最好將傳感器走線布置在PCB的底層，并使用通孔將每個傳感器走線連接到相關的傳感器墊。應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，當應用手指時，它只會與傳感器墊相互作用，而不會與跡線相互作用。

設計人員不應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）。 （賽普拉斯半導體公司提供）。

觸摸傳感器設計需要接地填充，以最大限度地降低EMI對電容式傳感系統的影響。然而，需要權衡，因為當接地填充與傳感器焊盤相鄰時，會增加系統的寄生電容，降低其靈敏度。一個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，傳感器板和接地層之間的間隙會影響相關按鈕的靈敏度。具體而言，傳感器寄生電容的大小與按鍵和接地層之間產生的電場有關（見圖1a）。事實證明，當按鈕周圍的間隙增大時，寄生電容會減小。圖4說明了這種關系。在該圖中，板材為FR4，厚度為1.57mm，丙烯酸覆蓋層的厚度為2mm。每個圖包含三個按鈕尺寸（直徑5，10和15 mm）的數據。

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

按鈕旨在感知手指的存在。形狀和大小會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域相匹配是一個好主意，該區域將與傳感器接觸。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：不同尺寸實心圓形按鈕的CF/CSENSOR比率。 （賽普拉斯半導體公司提供）

消除錯誤觸摸

觸摸屏電路在沒有手指（啟動電容）的情況下會產生固有的寄生電容。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，降低啟動電容會增加電容式觸摸傳感器的動態范圍。

前面討論的PCB設計技術將有助于增加系統的動態范圍，但還有更多工作要做，尤其是當它消除“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，挑戰越嚴峻。例如，與移動手機觸摸屏上的特征相比，手指的尖端相對較大，因此與例如計算機監視器相比，確定哪個按鈕實際被選擇變得更加困難。

問題是當多個鍵靠近時，因為靠近傳感器但實際上沒有接觸的手指仍會產生可測量的電容增加并產生錯誤的讀數（見圖6）。

圖6：當手指接近傳感器墊而沒有實際接觸時，可能會發生誤觸摸。 （賽普拉斯半導體公司提供）。

每個傳感器走線都成為它所連接的電容式傳感器的擴展，因此不良的布線可以將電容從一個傳感器耦合到另一個傳感器 - 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特別的問題，因為手指可能會使相鄰按鈕與要按壓的按鈕重疊。將具有接地環的組中的每個傳感器包圍在一起可以幫助隔離每個傳感器。然而，使用接地環是一種權衡，因為如前所述，靠近觸摸傳感器的跡線會增加寄生電容并降低傳感器靈敏度。

半導體供應商的幫助

除了PCB設計變更外，觸摸控制技術提供商還可以提供一些創新技術，以盡量減少錯誤觸摸的可能性。例如，賽普拉斯半導體公司的CapSense®技術允許設計工程師調整電路，以實現最佳信噪比（SNR），以確保觸摸檢測并濾除誤觸摸。

系統基于公司的CY8C20XX6A技術可在手指不存在時持續測量寄生電容。該測量值被轉換為數字計數，以便通過確定設定時間內的平均計數數來設置噪聲基線。這種寄生電容的不斷更新意味著如果電容由于環境因素（例如熱量和濕度的增加）而發生變化，系統可以“重置”基線。

當手指存在時，系統會繼續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的系統的實際傳感器數據樣本。注意，從許多寄生電容測量建立的噪聲基線被轉換成數字計數。類似地，當存在手指以確定信號閾值時執行許多計數。在這種情況下，SNR為5：1。

圖7：賽普拉斯半導體CapSense®系統的輸出。容－源－電－子－網－為你提供技術支持