页面加载中，请稍候
来源:电子技术应用ChinaAET发布时间:2022-10-171626浏览
询问 AI
1 序言
随着智能触控和智能表面概念在汽车应用上的兴起，纯电容触控技术被广泛应用于汽车内外饰应用中，替代传统机械按键，在一定程度上提升了汽车人机交互体验感和科技感，但随着越来越多各类人机交互应用场景的出现，以及基于传统纯电容方案大规模进入汽车走向市场，单纯的电容触控方案的弊端从开发侧到用户侧越来越显现出来，包括按键误触问题，多按键盲操问题，水的误触发问题，EMC抗干扰问题等等都对智能触控和智能表面在汽车上的更大规模应用与普及构成了一定的障碍。行业也都在积极思考如何在可接受的成本范围内，通过技术迭代改进解决现有痛点，提升方案的可靠性。
本材料面向从事汽车人机交互，智能内外饰件相关应用的技术及市场人员，汽车相关行业分析师及行业投资机构等。希望能给行业带来一定的参考价值。
2 市场纵观和需求分析
2.1 智能按键和智能表面市场概述
随着新能源技术的发展，汽车动力系统已经越来越难以实现差异化， 汽车行业的发展由过去基于机械和内燃机系统的动力系统的竞争演变为智能化，舒适化，科技感等的竞争，随之带来的是整个生态系统的快速演变。
智能按键和智能表面作为汽车智能化的重要部分，目前正处于快速发展阶段，随着由仪表，娱乐，空调等分离单元组成的传统座舱快速向座舱域+ADAS域演变，一体贯穿屏和双联屏越来越多的被用于新发布车型中，传统中控部分用于调节空调和娱乐导航等功能的机械按键被集成进大显示屏或转换为智能按键被转移到其它位置，对于集成于显示屏的功能键面临多层菜单的操作复杂度，比较适合于与驾驶和车身控制无关的娱乐，导航，通讯等功能的集成；对于一些常用和用户希望快捷响应的涉及车量行驶和车身控制的功能，按键形式无论从便捷性和安全性考虑会更适合，但受限于可用的面积和空间，空间占用比较大的机械按键会转变为更加小巧的智能按键转移至显示屏下方、档把控制板或多功能方向盘。智能按键除在结构件的小体积轻量化方面有优势之外，也带来用户体验的提升如触觉反馈，声音反馈，光效反馈等， 在汽车上的应用呈快速增加的态势。
智能表面是未来汽车内外饰发展的方向，它通过在内外饰材料上增加电子功能的产品结构实现塑电一体化，在我们不需要的时候隐藏，需要时通过接近，手势或语音控制等形式来激活，获得反馈和响应。在信息展现上，智能表面能够将车内所有功能无缝整合至统一表面，实现无缝衔接。在未来，车内的每一个表面都可以是智能表面 。我们只需在车内覆盖的表面上方动动手，某个互动界面或动态氛围灯即会显现，这些表面可以与我们互动，可以根据用户需求出现在恰当的地方，其展现形式有很多种：方向盘的智能表面设计：可通过触摸、按压或手势等方式触发转向信号、汽车娱乐系统控制、汽车档位车速控制等功能。门饰板和车把手：可以通过触控技术集成后视镜、车窗控制、座椅调节等为一体。智能座椅控制：通过智能表面来实现不同的场景的设置，如座椅调节、座椅加热、按摩、一键零重力、氛围灯光等功能的控制。智能玻璃和天窗的设计，使用特殊的薄膜设计，插入玻璃中，再通过电子控制信号改变透明度来实现汽车内部氛围灯、影像的控制功能。
图三 无处不在的智能表面智能表面在设计方面的自由度也将变得更为灵活。一方面，我们可以调整占用者的可见功能数量及其当前需求；另一方面，也有利于设计师充分发挥想象，设计出具有更多高科技感和美感的作品，从而改善内部视觉和触觉效果。智能表面可以减少多余的按钮和开关，暂时没有被使用的功能也可以变暗或消失。而在未来，几乎任意一个表面都可以加载功能，这样多出来的地方可以作为储物空间或置放其他物品。使车内缝隙最小化，从而实现了整体内饰风格的无缝统一，扩大了空间使用率。目前，智能表面技术正在迅速发展，未来的车辆内部将被集视觉美与功能性于一身的大型智能表面所覆盖。在整体的设计上，也让消费者觉得更具设计感和科技感。智能按键作为人机交互的基本实现形式将会是智能按键的基本组成部分。除了内饰部分的应用，外饰件对于智能按键和智能表面的应用也出现快速发展的态势，如隐藏式触控门把手的应用使车辆外观更加美观和节能，尾门脚踢控制器解决了用户在双手抱物的情况下开尾门的难点，智能B柱作为共享汽车的输入截面也呈现出越来越多的应用案例。综合以上情况， 预计智能按键芯片的单车用量将会达到20到30颗之多，对整车的智能化体验和成本越来越重要，相应的方案的选择显得越来越重要。2.2 智能按键和智能表面系统组成和方案选择智能按键人机交互主要包括感知和反馈两部分，感知部分主要是利用各种传感器对用户的触摸动作进行可靠识别，主要形式有电容式，电阻式，红外式，电感式等， 反馈部分是对用户操作进行回馈以确认操作成功。两者结合可在功能和用户习惯上完全替代传统机械按键，同时比之机械按键拥有更为美观的外形，占用更少空间，以及提升了整车的科技感。在智能按键的技术选择方面，电容触控方案作为最通用和高性价比的方案被广泛采用，但也存在诸多问题， 如防水问题，防误触问题，抗电磁干扰问题，装配精度问题等仅靠单一电容检测的方式很难做到完美解决，多，模方案自然而然就成了业界共同寻求的改进方案。其中压力，红外是最常使用的方案, 其中红外检测主要用到高成本的光电转换器件，对装配的精度要求高而且，信号输出与表面的变形量也是非线性关系，灵敏度适应环境变化的能力弱；压力检测的方式也有电容或电阻方式， 其中电容压力方式要求两个电容薄膜之间需要真空环境，支撑面需要平整，压力和电容变化非线性等在工程实践过程中面临很多难以克服的挑战。电阻式压力传感器作为新型的检测方式具有的高线性度，装配方式灵活，灵敏度高，低功耗等特性将成为多模触控的优选方案，得到越来越多业内客户的认可。3 传统电容触摸方案介绍传统的触摸方案依照感应方式的不同，大致可以分为电阻式，电容式，红外线式和超声波式四类，目前绝大部分应用（包括汽车）采用的是是电容式触摸。电容式触摸又分自容式和互容式两种检测方式，这两种检测方式应用原理不同，应用场合也不同。图四是自容式触摸的原理简图，自电容检测是用一个电极，触摸芯片会测试该电极和大地之间的电容，若将手指放在传感器上，则测得的电容会增加。自电容感应最适合用于单点触摸传感器，如按键。
图四 自容触控原理图五是自容式的原理简图，互电容感应将测量两个电极间的电容。其中一个电极被称为发送电极（TX），另一个被称为接收电极（RX）。在互电容测量系统中，为 TX 引脚提供数字电压（VDDD 和 GND 间的信号切换），并测量 RX 引脚上所接收到的电荷。在 RX 电极上接收到的电荷与两个电极间的互电容（Cx）成正比。在 TX 和 RX 电极间放置手指时，互电容Cx会降低到。由于互电容降低，RX 电极上接收到的电荷也会降低。互电容效应最适合用于多点触摸系统，如触摸屏和触控板。
图六是自容式电容触摸的工作原理介绍，分为触摸态和非触摸态。
在非触摸态的时候的物理模型如上图所示，整个系统会有3个等效电容组成，一个是寄生电容Cp（Parasitic Cap），一个是电极电容Ce（Electrode Cap），还有一个回地电容Cg（Ground return Cap）。这3个电容并不是一成不变的，他们会由于周围环境的变化而发生变化，所以在非触摸态下，电容值会产生波动，我们称之为电容底噪，需要通过软件来对这种波动值进行修正，来保证不会由于周围环境的变化而产生误判断。
如图七所示，当人体靠近电容检测电极时的物理模型如上图所示，要比未靠近的时候会增加一个触摸电容Ct（touch cap）。当人体离这个电容检测电极越近，Ct会越大，当在一定时间范围内电容变化量达到一定的门限后，我们就判断有触摸事件发生。虽然自容式触摸在汽车上的应用广泛，但是也存在一些比较难解决的问题，主要为以下几种：1：防水效果差：像车外饰以及靠近车窗的车内饰组件容易遇到一些水滴或者水流的情况，这种场景下电容触控容易产生一些误动作。例如门把手，尾门开关，车窗升降开关，在下雨或洗车等场景下，容易产生误判。2：对低阻抗的物体容易产生误触：因为电容触控的检测原理是通过pad来检测周围环境的介电常数在短时间的变化量来判断是有触摸动作，所以当有低阻抗或者介电常数跟人体的介电常数相似的物体（如金属）靠近时也容易产生响应。3：电磁抗干扰差：由于电容触摸采用的是共模检测的方式，并且电容检测电极类似于天线，所以对电源纹波和高频噪音干扰容易产生误触，特别是EMC测试中射频噪音和电源线以及地线上噪音的抗干扰效果不好。4：盲操效果差：对于用户的一些不经意的操作会引起误触发，比如方向盘控制器，在驾驶者行驶过程中需要盲操的场景下，手对电容按键较多的触摸区域操作时会有很大概率产生误触。5：对开发人员的技术能力要求高：由于电容触摸的抗干扰性差，对周围器件的高频干扰容易受串扰，所以结构堆叠，Layout设计和器件摆放以及对于触摸算法调试都存在一定的难度，开发周期长。所以在设计过程中，对结构工程师，硬件工程师和软件工程师的要求都非常高。基于纯电容触控存在的诸多问题，越来越多的人家交互触摸方案中开始考虑融入压力检测技术。通过压力检测判断按压动作，通过常用的压力检测技术有电容式压力传感检测、电感式压力传感检测、红外压力传感检测、MEMS压力传感检测、惠斯通电桥压力传感检测技术。4 主要压感技术路线分析4.1 电容式压力传感器检测技术电容式压力传感器检测技术，需要在压力检测位置上构建一个电容器，按压过程中检测该电容器电容量的变化来判断按压动作。电容器由两块正对的平行导体，以及它们之间夹着的绝缘介质构成，其电容量为
其中：ε为两平行导体之间的绝缘介质的相对介电常数A为两平行导体所覆盖的面积d为两平行导体之间的距离C为电容量当ε、A或d发生变化时，电容量C也会随之发生变化。电容式压力传感器检测技术是通过检测按压时改变两平行导体间距来实现电容量变化的技术。由此可见，实现电容式压力传感器检测的关键在于在按压位置上构建一个稳定、一致，可靠，并在按压时能够产生一定行程距离的电容器。这就使得设计电容器时需确保：①电容器两平行导体空间上既要完全重叠，又要保证两导体之间的距离一致②按压时产生合适的位移行程引起的电容量的变化能被检测电路有效检测出来③各种使用环境下绝缘介质的相对介电常数一致。以上条件对电容的载体结构件、平行导体的生产装配精度要求极其苛刻，甚至需要在两平行导体之间构建密闭环境并充填特定气体以确保各种使用环境下电容器中的绝缘介质的相对介电常数不变，这样才能保证产品的性能和一致性，生产难度和生产成本极高。电容量的检测大多采用的是电容触摸的检测原理，因此该检测技术除了存在构建电容器的难度以外，还带有电容触摸的先天缺陷，比如防水误触、EMC、带手套触摸等问题，降低了客户的体验度。4.2 电感式压力传感器检测技术电感式压力传感器检测技术是利用电磁感应原理将压力转换成电感线圈自感量的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化，来判断按压操作的检测技术。电感式压力传感器也称变磁阻式压力传感器，由铁芯、线圈和衔铁三部分组成。如图八所示：
线圈绕在铁芯上，铁芯和衔铁都由导磁材料制成，衔铁与铁芯之间的气隙距离为d，由电磁感应定律可知，线圈电感量近似计算公式为：
其中：N为绕制在铁芯上的线圈匝数μ0为空气的磁导率Ae为铁芯截面积d为铁芯与衔铁之间的气隙厚度L为线圈电感量可见只要改变铁芯和衔铁之间的气隙或气隙截面积就可以改变磁路的气隙磁阻。当压力作用于衔铁上，衔铁和铁芯之间的气隙d发生变化，引起气隙中的磁阻发生变化，从而导致线圈电感量的变化。再由处理电路，常用的处理电路有交流电桥式、变压器式以及谐振式等，把这个电感的变化转化成相应的电信号输出，从而达到判断按压动作的目的。电感式压力传感器，具有结构相对简单，没有活动的电触点，寿命长，工作可靠。其致命缺点是自身频率响应低，不适合需要快速动态检测的应用场景。4.3 红外式压力传感器检测技术红外式压力传感器检测技术是利用红外线的物理特性进行按压位移检测的传感器检测技术。红外线是一种不可见光，具有光线的所有特性，比如透射、反射、折射、散射、吸收等等。红外传感器根据红外光产生的方式可以分为主动式红外传感器和被动式红外传感器。在红外式压力传感器检测技术中，使用的是主动式红外传感器。主动式红外传感器技术主要采用一发一收的系统结构，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理等部分组成。发射机中的红外发光二极管在电源的激发下发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，把光信号转成电信号，经电路处理后传输给MCU处理。从而在发射机和接收机之间形成一条红外光束组成的警戒线。正常情况下，接收机接收到一个稳定的光信号，当发射机和接收机发生错位时，或红外光反射、折射距离变化时，必然会全部或部分遮挡红外光束，使得接收机接收到的红外信号发生变化，输出的电信号的强度会因此发生变化，从而检测出发生位移。在使用主动式红外传感器检测位移时，需要保证以下条件：① 发射机和接收机的安装位置需要处于同一平面，且夹角固定，确保发射机发射出的红外光被接收机有效接收。②当发生位移时，需要发射机和接收机之间的位移要有足够的大的位移行程，确保红外信号的变化能被检测出来。由于需要机械位移行程，结构上就会存在空隙，就会带来防水问题，这就需要增加额外的结构设计来解决防水问题。③在不同使用温度环境中，发射机发射出的红外光束不能出现明显的变化。对于环境温度过低的场景，需要专用的加热器以保证探测器的正常工作。④在整个产品的使用周期中，需要为红外检测系统提供一个相对干净、密封的工作环境，以避免出现水汽、灰尘的脏乱情况，确保在相同位移行程的条件下，产生的信号变化量一致。综上所述，利用红外检测技术实现压感操作，存在如下痛点：①结构不能设计成一体式结构，存在防水问题。②对红外光发射装置和接收装置安装位置要求位于同一平面，且夹角固定，精度要求高，增加生产装配难度。③需要增加额外的防尘、防水设计，以达到防尘防水要求，减少红外光束反射。④发光管线性度差，软件算法复杂。⑤系统复杂，功耗高，器件多，成本高。不能使用在高密度按键区域。4.4 MEMS压力传感器检测技MEMS压力传感器检测方案，是一种高灵敏度的、高集成的、采用硅工艺的压力检测方案。通过MEMS元器件作为敏感器件，将触摸表面的形变转化成电压变化，通过芯片内部电路将电压模拟量转化为数字量，再通过芯片内置的比较器，对按压操作进行判断。该方案优点在于能检测出触摸按压面板的微小形变，在理想情况下具有高灵敏度的特性，同时硬件设计简单，无设计门槛。与此同时，在产品设计、生产过程及性能方面存在如下问题，限制了其大规模在汽车应用的可行性：①传感器芯片尺寸小，厚度薄，强度小，导致芯片在运输、保压甚至是用户使用过程中非常容易损坏，这是高可靠性要求的汽车应用中首要规避的问题。②如图九所示，传感器采用面贴在触摸按压面板下方方案时，双面胶需要足够的保压时间和压强进行激活，由于MEMS芯片表面受力强度有限，保压贴合难度高。
③如图十所示，传感器采用简支梁方案将力从触摸面板直接传导作用在传感器表面时，由于MEMS芯片表面受力强度有限，设计上要求简支梁末端与传感器表面的位移行程控制在0.1mm±0.05mm范围内。对结构、装配精度提出了很高的要求，大大增加了生产难度和生产成本。 
④由于sensor布局在芯片底部，焊锡高低，焊接饱满程度对芯片灵敏度的影响非常大，对焊接工艺要求高。⑤MEMS压力传感器输出的是经过ADC采集的数字信号，无法直接测量传感器桥臂电阻，可测量程度较低。⑥对于较大面积的智能表面应用来说，需要多颗传感器覆盖整面，MEMS压力传感器采用传感器与测量芯片合封方式，无法实现单颗芯片支持多路压感传感器，导致整体成本较高。4.5 惠斯通电桥柔性压力传感器检测技术4.5.1 基本原理惠斯通电桥柔性压力传感器，是一种基于压阻式材料的微压力传感器，采用惠斯通电桥结构，将触摸表面的按压形变转化成电压变化的模拟量。可同时检测拉伸或压缩两种应变，如果受到的是压缩力，其电阻值会限制变小；如果受到的是拉伸力，其电阻值会显著变大。传感器的原理如图十一所示：
传感器产生的信号与曲率的关系为：
其中：
柔性压力传感器简支梁方案叠层结构如图十三所示：
⑤装配精度要求不高，生产成本低。
表一：压力传感检测技术特性对比来 源| 半导体行业观察END
－免责声明－
凡本公众号注明“来 源 | XXX”的文章，均系网络转载，版权归原作者所有，本号仅限于传递更多信息之目的。文章内容亦为作者个人观点，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。
☞商务合作：☏ 请致电010-82306118 /✐ 或致件 Tiger@chinaaet.com
逛
店
电子技术应用官方微店
2022/ChinaAET
点
这里“阅读原文”，直达电子技术应用官网
新闻来源：电子技术应用ChinaAET，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。
暂无评论哦，快来评论一下吧！
2026-07-02
2026-07-02
2026-06-24