如何设计电容式触摸系统

个人电子产品的用户界面已成为产品成功的关键。电容式触摸感应已成为用户界面技术的首选。

设计人员面临的挑战包括电磁敏感性，寄生电容，外壳效应，各种覆盖材料以及对低功耗的要求。电极调谐可简化设计并提高信噪比（SNR）和可靠性。

具有自动调整功能的触摸控制器可最大程度地提高灵敏度，从而大大减少了传统的PCB布局限制，对覆盖层厚度和材料的限制，并且消除了制造过程中的校准需求。

自动调整的优点是：

• 寄生电容补偿
• 更高的信噪比（SNR）
• SNR高，PCB布局和材料具有很大的自由度
• 可调灵敏度
• 免校准制造
• 更高的EMI抗扰度
• 更低的EMI辐射
• 来自同一触摸电极的接近检测

灵敏度，鲁棒性和可制造性的流行设计方法

电容传感的原理基于对传感器的长期稳态电容引入的干扰的测量。电极会产生电场，该电场被设计为受到用户触摸指定区域的干扰。连续采样该电极相对于周围环境的电容。

电容式感应传感器可以实现很高的灵敏度。由于电容变化的性质，灵敏度通常非常依赖于外部因素的影响。这些包括：

• 与PCB布局相关的寄生电容来源
• 与触摸传感器外壳相关的寄生电容来源
• 外部噪声源，包括EMC干扰和电源噪声
• 覆盖材料的厚度和类型
• 传感器电极和触摸表面之间存在气隙

使用有源寄生消除

虽然设计指南肯定会提高系统灵敏度和鲁棒性，但可自动调整至环境以获得最佳灵敏度的器件将以更少的PCB迭代次数缩短设计时间。更重要的是，这将节省生产中的昂贵延误，而在这种情况下，工艺变化（通常是机械构造）会由于触摸感应电路的不合格而导致生产延误。

从传感器的角度来看，过程参数的微小差异可能会使触摸传感器不稳定或无法使用。这些因素包括电源稳定性，覆盖材料的厚度，传感器电极与覆盖材料之间可能存在的气隙以及在许多情况下产品外壳附近的变化。当外壳由导电材料制成时，外壳的附近会引入较大的寄生电容，这会对传感器灵敏度产生重大影响。

寄生电容是传感器电极和附近（正常接地）电势之间的多余电容。实现灵敏的电容传感器的目的是使传感器将电场投射到电介质覆盖材料中，再投射到自由空气中。用户触摸指定的触摸传感器区域会干扰该电场。

在现实生活中，来自传感器的电场宁可终止​​于附近的接地电位，而不是通过裸片电覆盖层投射到自由空气中。从传感器看，寄生电容通常可占总电容的95％。当95％的传感器电容是静态的时，触摸电极只能影响其余5％的可变电容。一旦覆盖材料超过1毫米，触摸效果将仅为5％，这意味着传感器只能看到触摸和非触摸之间的变化为0.25％。这可能与系统的噪声水平非常接近。

编辑：hfy