电容式触摸传感技术的性能优化与应用

随着触摸屏变得越来越复杂，使用它们进行设计变得更具挑战性。幸运的是，良好设计的规则没有改变，并且有许多解决方案可以帮助您应对挑战。

人机界面(HMI)在过去几年中经历了一场革命。机械QWERTY键盘及其相关鼠标不再受到光滑触摸屏取代的青睐。人们只需要考虑移动手机的发展，看看制造商如何在放弃键盘时急于推出具有更大和更好触摸屏的产品。

触摸控制多年来一直用于不那么迷人的应用。例如，支持触摸的键盘在许多家用电器(如微波炉和洗碗机)中很流行，取代了昂贵且不可靠的机械键盘。触摸屏已广泛应用于工业控制设置中，因为它们非常适合通常遇到的恶劣操作环境。除了这些优点之外，触摸屏采用的主要动机之一是机械部件磨损和损坏使用。例如，虽然键盘和鼠标已被证明是计算机系统相对耐用的HMI，但它们最终会破坏。肮脏，多尘或潮湿的环境增加了早期失效的可能性，因为颗粒和水分会进入机械部件并加速磨损。最后，键盘和开关几乎不是最卫生的设备。虽然这对于工业或家庭环境来说可能不是一个大问题，但它肯定是医疗应用中的一个主要问题。

本文将介绍电容式触摸传感，这是目前使用的最流行的触摸屏技术，以及将描述通过改善响应和最小化错误触摸来改善用户体验的设计技术，其中设备对靠近传感器按钮的手指作出反应而不是用户的刻意触摸。

电容式触摸控制基础知识

设计人员可以使用多种技术进行触摸控制，包括电感，电阻和电容。每个都有其优点，特别是消除易磨损的机械部件，但电容式触摸技术已被证明是近年来最受欢迎的。这是因为它提供了来自传感器下方显示器的更高光传输 - 与电阻技术的80%相比超过90% - 这对于具有明亮，高分辨率屏幕的智能手机等设备尤其重要。

其他优势包括更快响应，通过“低压”触摸(例如，手指而不是手写笔)激活，处理多个触摸的能力，更大的活动区域以及更少的磨损易感性。

有几种类型的电容式触摸传感器技术，包括表面电容和投射电容，但都是基于手指的应用改变局部区域的电容这一事实，使系统的电子设备能够检测触摸并确定其在屏幕上的位置。图1a和1b说明了原理。

 

 

图1a：在电容式触摸屏系统中，传感器和铜接地之间产生电容(CP)。 “边缘”电场也穿过覆盖层。 (赛普拉斯半导体提供)。

 

 

图1b：没有手指存在，传感器的测量电容(CX)基本上等于CP。当手指存在时，CX是CP和CF的总和。 (赛普拉斯半导体公司提供)。

材料和PCB设计的选择对CP和CF的值有重大影响。我们将看看CP后来如何受到影响。 CF的值可以通过以下公式确定：

CF =(ε0εrA)/D

其中：

ε0=自由空间介电常数

εr=叠加的介电常数

A =手指和传感器焊盘重叠的面积

D =叠加厚度

从公式中可以看出，选择具有较高介电常数的覆盖材料，减小覆盖层厚度，增加按钮直径将提高CF的值并增加系统的灵敏度。

取决于设计，CP通常测量在10到300 pF之间。相比之下，CF更小，可能在0.1到10 pF之间。为了使设计人员的生活更加困难，CP(也称为寄生电容)随环境条件(如温度和湿度)的变化而变化。因此，设计人员面临的挑战是，在应用手指时，尽可能增加整体传感器电容的百分比 - 换句话说，最大化信噪比(SNR) - 以确保系统能够准确地识别虚假触摸的真实触感。

设计触摸屏PCB

幸运的是，有一些硬件和软件设计技术可以帮助设计工程师提高触摸屏控制设计的SNR。

让我们开始吧通过考虑PCB。典型的触摸屏设计采用双层电路板(电路板厚度范围为0.5至1.6 mm)，传感器焊盘和阴影接地平面位于顶部，其他所有位于底部(参见图2)。当板面积必须最小化时，可以使用四层板。

 

 

图2：典型的触摸屏设计，传感器位于双层板顶部，组件位于底部。 (赛普拉斯半导体公司提供)。

使用短而窄的走线可以最大限度地减少寄生电容。痕迹长度应小于300毫米，宽度应在0.17至0.20毫米之间。最好将传感器走线布置在PCB的底层，并使用通孔将每个传感器走线连接到相关的传感器垫。应将通孔放置在焊盘上，以使传感器走线长度最小化(参见图3)。采用这种布线方法，当应用手指时，它只会与传感器垫相互作用，而不会与迹线相互作用。

设计人员不应将迹线直接布置在任何传感器垫下，除非迹线连接到该特定传感器。此外，电容式传感迹线不应与高频通信线路紧密接触或平行。如果无法避免与传感器走线交叉通信线路，请确保交叉点处于直角

 

 

图3：通过传感器板上的位置，使传感器走线长度最小化(底层上的迹线，顶层上的传感器垫)。 (赛普拉斯半导体公司提供)。

触摸传感器设计需要接地填充，以最大限度地降低EMI对电容式传感系统的影响。然而，需要权衡，因为当接地填充与传感器焊盘相邻时，会增加系统的寄生电容，降低其灵敏度。一个很好的折衷方案是在顶层使用阴影线15%的地面填充(例如，0.18 mm线，1.14 mm间距)和底层10%(例如，0.18 mm线，1.78 mm间距)。

使用带阴影的接地填充时，传感器板和接地层之间的间隙会影响相关按钮的灵敏度。具体而言，传感器寄生电容的大小与按键和接地层之间产生的电场有关(见图1a)。事实证明，当按钮周围的间隙增大时，寄生电容会减小。图4说明了这种关系。在该图中，板材为FR4，厚度为1.57mm，丙烯酸覆盖层的厚度为2mm。每个图包含三个按钮尺寸(直径5，10和15 mm)的数据。

 

 

图4：作为按钮离地间隙和按钮直径的函数的寄生电容(CP)。 (赛普拉斯半导体公司提供)。

按钮旨在感知手指的存在。形状和大小会影响触摸传感器的灵敏度。角度小于90度的形状(如三角形)效果不佳，正方形更好，实心圆最佳。较大的按钮通常比较小的按钮更好。尝试使按钮大小与指尖区域相匹配是一个好主意，该区域将与传感器接触。图5绘制了不同尺寸按钮的手指电容(CF)占传感器电容(CSENSOR)的百分比。

 

 

图5：不同尺寸实心圆形按钮的CF/CSENSOR比率。 (赛普拉斯半导体公司提供)

消除错误触摸

触摸屏电路在没有手指(启动电容)的情况下会产生固有的寄生电容。如果起始电容大，则来自手指触摸的电容的增加引起相对较小的变化，因此更难以检测。换句话说，降低启动电容会增加电容式触摸传感器的动态范围。

前面讨论的PCB设计技术将有助于增加系统的动态范围，但还有更多工作要做，尤其是当它消除“虚假触摸” - 传感器注册的触摸但用户不打算接触。

屏幕尺寸越小，挑战越严峻。例如，与移动手机触摸屏上的特征相比，手指的尖端相对较大，因此与例如计算机监视器相比，确定哪个按钮实际被选择变得更加困难。

问题是当多个键靠近时，因为靠近传感器但实际上没有接触的手指仍会产生可测量的电容增加并产生错误的读数(见图6)。

 

 

图6：当手指接近传感器垫而没有实际接触时，可能会发生误触摸。 (赛普拉斯半导体公司提供)。

每个传感器走线都成为它所连接的电容式传感器的扩展，因此不良的布线可以将电容从一个传感器耦合到另一个传感器 - 特别是如果迹线指向附近的传感器 - 并增加虚假触摸的可能性紧密分组的按钮是一个特别的问题，因为手指可能会使相邻按钮与要按压的按钮重叠。将具有接地环的组中的每个传感器包围在一起可以帮助隔离每个传感器。然而，使用接地环是一种权衡，因为如前所述，靠近触摸传感器的迹线会增加寄生电容并降低传感器灵敏度。

半导体供应商的帮助

除了PCB设计变更外，触摸控制技术提供商还可以提供一些创新技术，以尽量减少错误触摸的可能性。例如，赛普拉斯半导体公司的CapSense®技术允许设计工程师调整电路，以实现最佳信噪比(SNR)，以确保触摸检测并滤除误触摸。

系统基于公司的CY8C20XX6A技术可在手指不存在时持续测量寄生电容。该测量值被转换为数字计数，以便通过确定设定时间内的平均计数数来设置噪声基线。这种寄生电容的不断更新意味着如果电容由于环境因素(例如热量和湿度的增加)而发生变化，系统可以“重置”基线。

当手指存在时，系统会继续频繁地测量电容的顺序建立“触摸”信号的平均值。图7显示了基于CapSense的系统的实际传感器数据样本。注意，从许多寄生电容测量建立的噪声基线被转换成数字计数。类似地，当存在手指以确定信号阈值时执行许多计数。在这种情况下，SNR为5：1。

 

 

图7：赛普拉斯半导体CapSense®系统的输出。

在制造环境中，“相同”设计将展示一系列CP ，CF和CX值会影响系统灵敏度。通过分析CapSense输出，装配技术人员可以根据设计工程师设置的SNR阈值(例如，4.75：1)来传递或拒绝产品。

就其本身而言，STMicroelectronics提供其S-Touch™产品，例如STMPE16M31QTR用于电容式触摸屏。 S-Touch技术基于两个RC网络，均由相同的信号驱动。其中一个网络是参考，而另一个网络连接到传感器。当手指触摸焊盘时，电容增加，延长了RC网络与参考电压相比的时间常数。根据延迟的长度，S-Touch可以确定它是故意触摸，误触摸还是噪声(见图8)。

 

 

图8：STMicroelectronics的S-Touch™技术(无触摸延迟ZREF - ZIN = A，触摸延迟ZREF-ZIN = B，如果BA》阈值则触摸被注册)。

S-Touch技术利用连接到校准单元的数据检测引擎持续运行校准程序，以考虑环境影响的变化，如温度和湿度。最后，数据过滤块应用两个滤波器，一个用于消除噪声，另一个用于抑制与被触摸的传感器相邻的传感器的信号，以消除误触摸。

触摸屏技术继续快速发展。制造商已经在推广先进技术，包括允许同时检测多个手指触摸的技术和投射电容，即使用户甚至不必直接触摸屏幕。简单地移动手指足以触发响应。

确保快速，准确响应而不会出现错误触摸的基本设计规则保持不变。旨在实现高灵敏度，使控制电子设备可以轻松区分噪声，误触摸和预期触摸，并建立校准，以便系统可以应对环境条件的变化。