电容式触摸传感器开关在白家电等市场应用案例分析 - 全文

　　机械式开关是导通及关闭流过导体之电流的器件，用于各种常见的终端市场应用，如消费电子（电视机、机顶盒等） 、白家电（洗衣机、电冰箱、空调、微波炉等）、计算机外设 （打印机、传真机、显示器等） 、汽车仪表等。以图1中的厨房用搅拌机为例，控制面板上有8个按键，每个按键下面都配备黄圈所示的机械式开关。这些机械式开关附着在面板背面，在面板上按下按键即可控制机械式开关，启用或关闭搅拌机各种功能或调节速度等。

　　图1：在搅拌机等应用中，传统机械式简单直接，但要求的数量相对较多。

　　对于电子产品设计人员而言，过去机械式开关一直是他们的首选。因为机械式开关提供不少应用优势，如简单、直接、成本低、使用方便，能为用户提供真实的物理反应，等等。但同时，机械式开关也存在诸多缺点，如磨损问题导致长期耐用性差，设计灵活性不高，容易受潮湿、水、油污或灰尘的影响，存在系统噪声、反应速度及仅适合低速工作等问题。有鉴于此，设计人员也在探寻其它的设计选择，如触摸传感技术。

　　常见触摸传感技术概览

　　实际上，触摸传感器已经被广泛使用很多年了。但直到近些年来，随着触摸技术在便携设备显示屏应用的爆发性增长，这种技术越来越受关注，由此展开的技术开发及创新也越来越多。设计人员不仅争相利用触摸传感技术来为手机、平板电脑乃至笔记本电脑用户提供更加先进、智能的用户接口，也在越来越多地触摸传感技术用于数码相框、数码相机、游戏机、安防、汽车仪表盘及白家电等众多应用。

　　市场上的触摸传感技术众多，如模拟电阻式触摸、表面声波（SAW）触摸、红外触摸、光学成像触摸、色散信号、声学脉冲及电容式触摸等。它们各有其优势和不足。模拟电阻式触摸屏相对坚固耐用，对各种化学品、化合物及腐蚀物不敏感，而且防水，还能加压密封。其不足是其包含的塑料层会扩散及衰减光，导致色彩鲜艳度受损，用久还可能发黄。表面声波触摸屏的优势是其面板为全玻璃，光衰减极少，显示屏的可视性极佳，色彩鲜艳明亮，也不会发黄，还提升了长期稳定性。此外，SAW触摸屏响应速度快，分辨率高，抗划伤性能好。但也一些不足，如，因为不能像软表层那样吸收声波。此外，表面上有油滴或水滴的时候，这种触摸屏还会误操作。红外触摸屏在显示屏上没有堆叠层，没有光损耗，亮度高，但其LED发射器能耗相对较高。其它触摸屏技术，如光学成像、色散信号及声学脉冲等各有其优势和不足，在此不一一详述。

　　随着技术的发展，电容式触摸屏已经成为手机、数码相机、GPS、游戏机及平板电脑等众多应用的选择。相应地，电容式触摸传感器开关已经成为机械式开关的一种实用且增值型的替代方案。

　　图2：投射电容式触摸屏工作原理。

　　电容式触摸屏包含表面电容式及投射电容式等不同类型。表面电容式触摸屏使用的是依靠手指或电容式触控笔产生的电容结点来导电的特性 。控制器在触摸屏的四个角施加相同电压，因而产生小的电磁场。通过测量各个角至电容导电的手指触点的电流脉冲，控制器就能计算出显示屏上玻璃表面的触点位置。投射电容式技术相对较新，但目前的应用极为广泛。投射电容式触摸屏依靠的是自电容或互电容原理。以互电容为例，两组电极交叉的地方会形成电容，手指触摸电容屏时会影响触摸点附近两个电极之间的耦合，改变两个电极之间的电容量。根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出触摸点的坐标。总的来看，投射电容式触摸屏的一项关键优势就是能够根据软件设定的灵敏度来检测手指或手套触摸位置，另一项关键优势是支持多点触摸及复杂的手势识别。

　　安森美半导体的电容式触摸传感器IC

　　为了配合电容式触摸屏越来越广泛的应用，安森美半导体推出了LC717A系列电容式触摸传感器方案。这系列器件目前包括 LC717A00AR、LC717A00AJ及LC717A10AR、LC717A10AJ，其规格及特性如表1所示。

　　表1：LC717A系列电容触摸传感器的规格及特性

　　LC717A系列是单芯片电容投射式触摸传感器方案，工作电压范围为2.6至5.5 V，电流消耗低于1 mA。这系列器件内置乘法器，使用差分电容检测技术来检测距离及触摸动作，能够检测飞法拉级的电容变化。其中，LC717A00AR/AJ包含8个输入通道（见图3），而LC717A10AR/AJ则包含16个输入通道。以LC717A10AR为例，这器件是LC717A系列的首款产品，简化以电容式触摸传感器替代机械式开关，用于家电、影音设备、计算机外设及汽车仪表盘等应用。LC717A00AR包含8路电容感测输入及8路数字输出，使用专有的差分电容感测技术，能够提供高灵敏度及高噪声抗扰度。内置逻辑电路检测每路输入的导通/关闭（ON/OFF）状态，并输出适当的结果，且不需要任何额外元器件或控制软件。LC17A00AR除了可以作为独立器件工作，还支持使用外部微控制器（MCU）通过可以配置用于I2C或SPI工作的内置串行接口来调整参数。

　　图3：a） LC717A00AR/AJ框图（左侧）；b） 差分电容检测技术提供更高的噪声抑制能力（右侧）。

　　在白家电等应用中使用LC717A系列触摸传感器开关替代机械式开关

　　触摸传感器开关不同于机械式开关，只须触摸来执行开关操作，目前常用于许多灯具和壁式开关、有平坦外表的电冰箱和电饭煲等白家电，以及公用计算机终端等等。触摸传感器开关使用户能以滑动或转轮的方式来启用开关，提供比机械式开关更灵活的设计及更直观的用户接口。LC717A系列触摸传感器开关能够直接连接至常见MCU并执行独立操作，因此非常易于使用，不像其它带内置MCU的触摸传感器要求额外培训及编程时间。

　　机械式开关结构简单，但机械元件的使用寿命有限。相比而言，触摸传感器开关技术提供极佳耐久性， 可以省去机械磨损问题。相比较而言，触摸传感器开关不需按键，不单减少磨损问题，还使设计人员能够在电气元件外增加外层材料作为保护屏障。故触摸传感器开关易于清洁，且显著减轻开关受潮湿、水、油或灰尘等的影响。

　　使用机械式开关的一项优势是以物理反应使用户感到开关正导通或关闭。而使用触摸传感器时，用户仅触摸屏幕或输入板来导通开关，通常不会感到开关的物理反应，因而用户并不总是知道是否启用了开关。由于此项顾虑，设计人员可能需要为触摸开关器件加配特性，如光、声或另种形式物理反应，以显示开关已被启用。这将增强设计元素及终端应用的功能，产生更积极的用户反应。

　　图4：在厨房搅拌机等白家电应用中，一个触摸传感器开关能替代多个机械式开关。

　　像LC717A00AR这样的触摸传感器开关由于具有高灵敏度，可以置于密封空气、防尘及防水玻璃护罩的背面，这在厨房搅拌机等可能经常沾染液体和灰尘的应用中尤为有用，还非常适合于洗衣机、电冰箱等应用。在厨房搅拌机应用中，设计人员能仅以1个触摸传感器开关（如LC717A00AR）来替代8个机械式开关，如图4所示。

　　市场上有些触摸传感器方案在厚玻璃层后或在元件之间气隙太大的情况下难以有效工作。安森美半导体创新的LC717A系列触摸传感器开关技术得益于高灵敏度性能，消除设计人员在气隙及材料厚度、响应速度方面的设计顾虑，让设计人员能够更快地构建及应用设计。基于LC717A00AR构建的演示电路板演示，设计人员可以自如地操作触摸传感器开关功能，即便隔着厚材料、大气隙，甚至是戴着多层手套，见图5。

　　图5：LC717A系列触摸传感器提供高灵敏度，即使戴手套也可自如操作

　　由于触摸传感器开关灵敏度高，故许多工程师错误地担心，触摸开关可能会因触摸开关区域表面而意外导通，为用户带来意料外的偶发状况。但安森美半导体的触摸传感器方案克服此顾虑，使设计人员能够选择开关图案，并改变触摸响应等级，因而为白家电用机械开关提供直接的替代方案，同时还优化触摸开关应用具有的优势。

　　成本是设计人员关注的重要问题。通常情况下，触摸开关成本比机械开关高，会让许多设计人员望而却步。但安森美半导体的电容式触摸传感器开关方案不要求外部元件，提供更多用户界面功能，大幅优化用户体验，很多情况下的总体系统成本可能跟机械式开关相当。因此，电容式触摸传感器开关除了上述应用，还可用于其它众多白家电及家用电器应用（如电冰箱、电磁炉），以及电子秤、遥控器、影音设备等等。

　　总结

　　过去，电子设计人员一直倾向于使用机械式开关。这种开关提供诸多固有优势的同时，也存在不少缺点。有利的是，近年来，随着触摸屏技术特别是电容式触摸屏技术的发展，触摸传感器开关为设计人员提供的有力的另一选择。设计人员在白家电等众多应用中使用安森美半导体的触摸传感器开关，不仅提供比机械式开关更灵活的设计和更直观的用户接口，还更为耐用，易于清洁，显著减轻受外界环境（如潮湿、水、油污及灰尘）的影响，还提供更高灵敏度，减少设计人员的顾虑，并能使用跟机械式开关相当的总体系统成本。

本文转摘自电子发烧友网《传感技术特刊》7月刊

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