电容传感器设计优化策略

01 基础原理

电容原理：电容是指两个由绝缘材料隔开的导电体之间存储电荷的能力。电容感应技术不仅适用于人体触摸，也能广泛用于探测各类材料和物体。根据平行板电容的原理，电容的变化正比于电极的面积和介电常数，而与电极之间的距离成反比。

工作机制：电容传感器通过测量两导电物体间电容的变化来检测触摸或接近事件。当手指或其他物体靠近时，会改变电场分布，导致电容增加或减少。这种变化通过电容的等效电路模型来表示，涉及多种电容类型。

测量方法：电容传感通常采用电荷转移法，通过重复充电将电荷从传感电极转移至采样电容，并记录这些充电次数。通过观察充电次数的变化，可以探测到电容的微小变化。例如，设想一个较小的容器（代表可变电容）被充满液体（象征电荷），然后将其内容物转移至一个较大的容器（对应固定电容）中。需要填满较大容器的次数反映了较小容器的容量。当这个次数发生变化时，就意味着较小容器的容量发生了变化，从而能够检测到触摸或其他互动事件。

另外两种电容测量方法包括弛豫振荡器法和固定频率交流信号法：弛豫振荡器将电容的变化转换为频率的变化，通过监控振荡频率的变化可以间接测量电容的改变；固定频率交流信号法则是利用一个已知电容和一个未知电容，在固定频率的交流信号作用下，电容的变化会导致电压的差异。通过比较已知电容和未知电容引起的电压变化，可以测量出电容的变化。

02 分类与应用

自电容与互电容：自电容传感器主要通过检测单个电极相对于地面的电容变化来实现简单的触摸识别。而互电容传感器则通过测量两个电极之间的电容变化，更适用于实现复杂的多点触控功能。

自电容的测量重点在于监测电极与地面之间电容的变化，这一变化通常在1到10皮法之间。在大型应用中，采用环形设计能够减少整体电容，并扩大检测范围。而对于小型应用，建议采用单一的实心电极板以满足检测需求。

互电容技术依靠两个独立电极结构——发送电极（Tx）和接收电极（Rx）——来识别触摸，这要求将它们分别连接至微控制器的两个引脚上。当用户的手指触碰到Tx和Rx电极交叉点时，会扰动两电极间的电场，造成互电容的减少，相当于在两电极之间引入了一个接地效应。这样引发的互电容变化量通常不超过1pF。

03 设计优化策略

设计目标：传感器设计的关键在于平衡感应范围和系统稳定性，以提升灵敏度和准确性。目标是在触摸时最大化电容增量（CTouch）并最小化寄生电容。这要求精细设计电极的形状和大小，并挑选合适的覆盖层材料及厚度。  

电极设计：电极的形状和面积对于最大化信号至关重要。传感器的尺寸越大，与目标物体的接触面积越广，其感应范围也就越广。未加屏蔽的接近传感器能提供广泛的360度感应范围，但接地结构的干扰可能降低其灵敏度。

接地结构的存在会使电极发射的电场线主要聚集在电极与接地之间，限制电场的方向和防止从不期望的角度触发传感器是必要的。为此，可以采纳接地屏蔽或驱动屏蔽技术。

接地屏蔽：接地屏蔽通过在传感器背面增加接地层来阻止电场向该方向扩散，但此举会缩短感应距离，因为它引入了额外的寄生电容，同时地面会吸收周围的电场线。

驱动屏蔽：驱动屏蔽技术在传感器下方添加一层导电层，该层携带与传感器相同的驱动信号，通过配置为电压跟随器的运算放大器来维持电位差为零。当传感器与屏蔽层的驱动信号相位和电位一致时，两电极间将不形成电场。此外，屏蔽层会把传感器的电场推至其前方，达到有效的屏蔽效果。这样不仅减少了寄生电容的干扰，还保持了传感器对接近物体的高敏感度，从而提高了信噪比。

降低寄生和干扰：为了增强充放电效率，电极和走线设计上需采用低电阻率材料。然而，系统内的寄生电容会削弱触摸引起的电容变化，导致电容变化难以精确测量。例如，在20pF寄生电容的条件下，触摸可能引起电容变化高达25%，但若寄生电容增至100pF，触摸引起的变化仅有5%。为减少寄生电容的影响，我们需要扩大走线与接地层之间的距离，并可采用镂空接地设计以进一步优化性能。

对于应用较大电极的场景，比如接近感应，走线的最大长度需控制在120毫米以内，同时走线应保持尽可能的细度。在设计互电容系统时，应避免让发送（TX）和接收（RX）的走线靠得太近，以防止检测距离受到影响。

覆盖层：覆盖层设计既能增强外观和保护性，也会对灵敏度产生影响，因此需谨慎选择非金属材料。覆盖层的厚度和介电常数直接决定了电场的传导效率，使用高介电常数的材料可以减轻厚覆盖层对灵敏度的负面影响。对于空气间隙这类低介电常数情况，使用特定的桥接材料是必要的，其效果从优到劣依次为：金属弹簧、导电泡沫、碳纤维、聚碳酸酯、ABS、硅胶。

在自电容传感应用中，使用较薄的覆盖层可以获得更高的灵敏度。而在互电容应用中，适度增加覆盖层的厚度能够在某种程度上增强灵敏度。对比不同材料的特性，我们发现FPC的温度漂移相对较大，而LDS技术的温度漂移则较小。

供电方式：供电方式显著影响接近检测的灵敏度，特别是在电池供电的系统中，设备与地球之间的耦合度降低。例如，在下图所示的电容闭环中，由触摸传感器的人体（C1）、电极与电路模块路径（C3，表示模块与地球的耦合）以及人体与地球的耦合（C2）共同构成。此时，由于C3相对较小，会削弱C1的检测效果。为了增强电池供电系统的检测性能，可以通过增加系统的接地面积或采用物理接地方式来加强设备与地球之间的耦合，从而增大C3的值。

市电供电系统由于与地球共享接地，因此展现出更高的灵敏度。在这种系统中，由于不需要模块与地球之间的电容耦合（C3），因此参考系统更为稳定（仅涉及一个变量电容：C1）。因此，在良好接地的系统中，相比于电池供电设备，灵敏度更高，从而C1的细微变化可以被更容易地侦测到。

04 技术挑战与未来趋势   技术挑战：随着设备趋向于更加轻薄的设计，如何在有限空间内维持高性能成为电容传感器面临的重大挑战。     电源方式的影响：传感器的灵敏度受到电源供电方式的显著影响，设计时需要考虑优化电容耦合，以提升检测性能。   未来趋势：得益于低成本优势，电容传感技术正朝着更高灵敏度、更小尺寸和更低功耗的方向发展，这预示着未来将出现更多创新的应用和设备。    

      05 参考资料 [1]. Microchip Capacitive Proximity Design Guide-Microchip [2]. CapTIvate Technology Guide-TI [3]. Capacitive Sensing Design Guide-Azoteq   

审核编辑：黄飞