电容式传感的有效设计技术

电容式触摸技术已在广泛的应用领域取得了巨大的进展。触摸技术始于系列手机中使用的电阻式触摸屏。由于电阻式触摸传感器的响应速度较慢，因此灵敏度是一个主要的设计考虑因素。电阻式技术之后是电容式触摸传感技术，基于触摸的界面迅速普及整个市场。

电容式传感技术的原理是，只要观察到触摸或物体表面环境发生任何其他变化，就会改变物体特定区域的介电特性。这反过来又改变了检测到的电容，该电容被检测为电压的变化。与使用电阻式触摸检测到的变化相比，电容的变化非常快。通过增强表面物体的介电特性可以使变化速度更快。

电容式传感器可以直接或间接感测多种因素，包括电场、运动、化学性质或加速度、流体性质、压力等。传感器的表面充当电介质周围的电极，在检测电路和激励电压的帮助下，能够将电容的变化转换为变化的电压。计算电容变化的典型表达式由法拉给出。它是一米，其中 是介电常数， 是相对介电常数，s是表面积，d是板之间的距离。这里类似地，可以根据表面积特性计算其他对称表面。在不对称电极的情况下，场线可以给出等势 s 的近似值

基于电容感应的触摸模块包括按钮、滑块、触控板、接近、触摸接口、旋转编码和许多其他接口组件，可用于取代嘈杂、笨重的机械按钮和开关。与机械接口相比，这不仅缩小了系统板尺寸，还减少了功耗。例如，功率电容式触摸界面通常在 1.8V 至 5V 的电压范围内工作，甚至可以在 0.9V 的电压下工作，尽管可能会出现灵敏度、功率要求、误触发等方面的性能问题。

电容式传感子系统需要图 2 所示的组件。覆盖层是 PCB（印刷电路板）组件上设备的顶部接口，暴露给用户。它是用户触摸以执行特定操作的光滑成品表面。覆盖层可以是玻璃、木材、丙烯酸、塑料或任何其他非导电材料。下一个组件是 PCB。PCB 的选择取决于其介电常数及其带来的损耗。选项包括适用于低成本应用的 FR4 基板以及适用于可承受额外成本的应用的低损耗 RT Duroid 基板。下一个重要组件是传感器垫。这是一个敏感元件，其设计和在 PCB 上的放置需要遵循一定的标准。

  
图 2：电容式传感子系统的组件。

电容测量可以通过两种方式进行：互电容和自电容。图3所示为互电容和自电容的工作原理。

图 3：自电容和互电容的工作原理（参考https://www.cypress.com/documentation/application-notes/an64846-getting-started-capsense）。

在基于自电容的电容传感器中，电容是相对于地测量的。通过互电容，Tx 电极元件和 Rx 元件用于检测触摸和无触摸感测。当发生任何触摸时，信号从 Tx 电极传递到 Rx 元件。该信号与互电容成正比。当发生任何触摸时，互电容会减小，而自电容会增加。自电容通常在单点触摸应用（即，一根手指界面）中有用，而多点触摸应用（即，可以使用多个手指，例如两指手势）需要实现互电容。

设计方法

虽然电容式传感在用户满意度方面提供了令人印象深刻的界面，但设计人员需要努力保持平稳的性能，同时满足预算限制。鲁棒性、可靠性、可重复性、准确性和灵敏度是工程师必须为基于电容式触摸的应用提供的一些关键特性。在本节中，我们将讨论工程师在消费类应用中有效实现电容式传感所需解决的各个问题。

控制器的选择

控制器的选择是设计的一个重要方面。如今，市场上有许多控制器，每种控制器都有自己的特殊功能和特性。适用于电容式传感的控制器应在芯片内部具有良好的模拟电路，旨在提供高 SNR（信噪比）以保持性能和精度。还建议控制器支持信号调理功能，因为处理电容信号（尤其是基于多点触控的应用中的电容信号）需要大量信号调理。添加用于信号调节的驱动器、缓冲器或转换器以及控制器等额外硬件通常不是一个好主意，因为这些组件会影响路径噪声和损耗，并增加物料清单 (BOM) 成本。

PSoC（可编程片上系统）控制器在信号调理电路（例如运算放大器和 TIA（跨阻放大器））中集成了电容式传感功能。这些使工程师能够直接将传感器与控制器连接，而无需额外的硬件。

电容式传感对水和湿气也非常敏感。这可能会影响洗衣机和冰箱等需要防潮的应用的性能和可靠性。水有其自身的介电常数，它会增加电容并阻碍电容效应，因此控制器通过使传感器防水来支持耐水性非常重要。

通过使用性能较低的处理器并传输模拟传感器数据和电容测量值以进行离线处理，许多消费类系统可以设计得更低成本。如今，BLE（低功耗蓝牙）传输通常用于将数据传输到基于 Android 或 iOS 的应用程序。其他应用程序可能需要使用替代无线技术，例如 Wi-Fi、ZigBee 或 WiMax。集成了无线功能支持的控制器可以大大简化设计。

调优技术和固件功能

对于使用电容传感的系统来说，调整模拟传感器是一个重要的设计阶段步骤。电容式感应精度很大程度上取决于环境的介电常数和触摸环境。设备的设计需要使其能够在潮湿、寒冷、炎热和下雪的环境中动态运行。这可以通过调整固件中的传感器来实现。

调节可以是手动的或自动的（即由微控制器支持）。自动调谐技术避免了逐步调谐传感器的耗时且繁琐的过程。手动调整对于构建数量较少的应用来说很方便，因为它不需要大量的软件，尽管有许多因素需要跟踪，包括信噪比、材料的介电常数、覆盖层的厚度、灵敏度和响应时间。灵活的控制器将支持手动和自动调整功能，使工程师能够促进大规模生产和有限构建。

执行智能信号处理算法还需要良好的固件功能。考虑到调节电容系统的复杂性，控制器得到全面设计环境的支持非常重要。例如，PSoC Creator 是一个集成开发环境，允许开发人员设计具有复杂信号处理功能应用程序的电容式传感模块，而无需编写复杂的代码。

选择叠加和固定

覆盖层不仅决定了终产品的美观，还决定了其传感功能的灵敏度。图 4 显示了采用电容传感技术的系统中使用的各种类型的覆盖层，例如木材、丙烯酸或玻璃。实验表明，所有这些叠加都需要进行调整才能可靠地实现。由于固定问题而导致的覆盖识别等问题在消费者应用中常见。

图 4：采用电容传感技术的覆盖层。

电容随基板和电极之间的气隙而变化。如果覆盖层的固定正确，变化的气隙可能会影响整个系统的性能和灵敏度。吸盘、磁性对准和机械固定是消费行业中用于防止此类问题的一些标准技术。覆盖层的厚度也是一个重要参数，因为厚度与电容和灵敏度成正比。从整体产品的角度来看，覆盖层的材料、表面处理和美观是重要的参数。生产用于大规模生产的基于覆盖的产品是消费应用中的设计和制造挑战。

传感器元件的放置和接地技术

一般来说，PCB 的地平面应该是一致的。由于噪声分布均匀，因此地面噪声减少。然而，这也会增加寄生电容 (CP)，从而影响基于电容传感的应用。CP是与传感器走线直接相关的主要因素。CP 的增加增加了布局的难度，因为设计者必须更加谨慎，不要引入其他寄生效应。实际上，这限制了设计者对轨迹追踪的容忍度。

因此，对于基于电容的应用，有必要选择散列模式接地层而不是统一接地层。传感器垫不应有任何其他电气轨道或金属在其任何层中移动。图 5 证明了这一理论。

图 5：电容式传感器孵化板的 PCB 结构。

电路板技术的选择也是影响CP的重要因素。据观察，在大多数产品中，柔性材料是连接传感器与电路的材料，因为它对系统的 CP 影响较小。总电容是人体触摸电容、PCB 电容（对于基于 FR4 或 Flex 的 PCB 不同）、PCB 走线电容以及添加到系统的其他寄生效应的总和。因此，调整成为设计周期中的必要阶段。

通过为电容传感器提供适当的屏蔽（即接地层），可以避免电容传感器的误触发、EMI 和 EMC 噪声以及其他不良影响。图 6 显示了电容刺激响应情况的横截面图。

图 6：电容焊盘的横截面和布局技术。

物料清单优化

BOM优化也是产品设计的重要标准。复杂的机械设计、外壳和光滑的覆盖层以增加美观性也往往会增加 BOM 成本。例如，采用 RT Duroid 基板、玻璃覆盖层和时尚的外壳肯定会产生业界的产品。然而，设备成本的增加可能会导致市场失败。

结论

从工作原理、设计和应用角度讨论了面向消费类应用的电容式传感技术。电容式触摸技术的分析涉及其调整、组件选择、布局标准以及设计周期中观察到的各种其他问题以及一些可能的解决方案。使用集成了电容式传感功能的控制器可以降低产品成本和复杂性，从而提高设备性能和可靠性。