自从电容式触摸技术出现以来，它已经进入各种应用。触控技术在早期是从手机的电阻式触摸屏开始的。然而，由于电阻式触摸传感器的响应速度较慢，灵敏度成为新设计中的主要考虑因素，其次是电容触摸技术，触摸界面很快在市场上普及。电容传感技术是基于以下原理：物体表面一旦发生触摸动作或其他任何变化，都会改变物体内部某一区域的介电特性，从而改变被检测的电容，即产生电压变化。与电阻式触摸技术相比，电容变化非常快。通过增强表面物质的介电特性，也可以提高变化的速度。电容传感器可以直接或间接感知各种参数，包括电场、运动、化学特性、加速度、流体特性、压力等。传感器的表面是包围介质的电极，借助检测电路和激励电压，可以将电容变化转化为可变电压。下面是计算电容变化的典型公式：C=0rSd Farad.Meter .其中：0是绝对介电常数r是相对介电常数 s是表面积 d是极板之间的距离。
同样，我们可以根据表面积特征计算其他对称曲面。对于非对称电极，场线可以给出等势面和通量线的近似值。因此，可以通过像素正方形的数量来估计电容值。基于电容感测技术的触摸模块包括按键、滑块、触摸板、接近传感器、触摸接口、旋转编码器和其他接口组件，可用于替代嘈杂和笨重的机械按键和开关。与机械接口相比，它们不仅可以减小系统电路板的尺寸，还可以降低功耗。比如电容式触摸接口，通常工作在1.8V-5V到5V之间，甚至低至0.9 V，但可能在灵敏度、功耗要求、假触摸等方面存在问题。容性检测子系统需要图2所示的元件。覆盖层是PCB(印刷电路板)上设备的顶层接口，与用户直接接触。它是一个光滑的表面，用户可以通过触摸它来执行特定的操作。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。根据介电常数和损耗选择PCB。类型包括：用于低成本应用的FR4基板和用于高成本应用的低损耗RT/duroid高频电路板材料基板。另一个重要的元件是传感器感应点，非常灵敏，在PCB上的设计和布局都有一定的标准。最后也是最重要的部件是主控制器，它是大脑，负责实现触摸界面所需的所有信号调整和处理。
电容测量有两种方法：互电容和自电容。
控制器选择是设计过程中非常重要的一部分。目前，市场上有许多控制器，每种控制器都有其特殊的能力和特点。适合电容检测的控制器应在芯片中内置良好的模拟电路，以实现高信噪比并保持性能和精度。此外，建议控制器支持信号调理功能，因为处理电容信号(尤其是在那些多点触摸应用中)需要大量的信号调理。添加驱动器、缓冲器或转换器等额外硬件进行信号调理通常不是一个好主意，因为这些元件可能会增加路径噪声、损耗和BOM成本。设计传输模拟数据的走线也需要特殊技能，因为走线尺寸决定信号强度，信号强度与阻抗匹配成正比。PSoC(可编程片上系统)控制器内置电容检测功能和信号调理电路，如运算放大器和跨阻放大器(TIA)，使工程师能够直接将传感器与控制器连接，而无需添加硬件。电容传感技术对水和湿气也很敏感。这可能会影响洗衣机、冰箱和其他应该具有防潮能力的应用的性能和可靠性。水也有电容，所以会增加电容值，影响电容式触摸效果。所以电容式传感器一定要防水，这样控制器才有防水功能。许多消费电子系统可以通过使用低性能处理器将模拟传感器数据和电容测量结果传输至离线处理来降低成本。目前，BLE传输技术通常用于向Android和iOS应用程序传输数据。其他应用可能需要使用其他无线通信技术，如WiFi、ZigBee或WiMax。支持无线功能的控制器可以大大简化设计。调谐方法和固件功能对于使用电容检测技术的系统，模拟传感器调谐是一个重要的设计步骤。电容感应的精度很大程度上取决于环境的介电常数，并受到触摸环境的影响。设备应能在潮湿、低温、高温和下雪的环境中工作。这可以通过调整固件中的电感式传感器参数来实现。调试可以是手动的或自动的(即由微处理器支持)。自动调试技术避免了费时费力的一步一步调试传感器的过程。手工调试方便搭建几个应用，因为不需要很多软件，但是需要注意很多因素，比如信噪比，材料的介电常数，覆盖层的厚度，灵敏度，响应时间等等。灵活的控制器应支持自动和手动调谐功能，从而便于大规模生产和操作。实现智能信号处理算法还需要良好的固件功能。考虑到调试电容器系统的复杂性，控制器必须有一个全面的设计环境来支持。例如，PSoC Creator是一个集成开发环境，允许设计人员设计具有复杂信号处理功能的电容传感模块，而无需编写复杂的代码。覆盖层和固定方式的选择不仅决定了最终产品的外观，还决定了其感应灵敏度。图4示出了使用电容感测技术的系统中使用的不同类型的涂层，例如木材、丙烯酸和玻璃。实验结果表明，这些涂层都需要调试才能可靠工作。由固定问题引起的诸如覆盖识别的问题在消费者应用中是最常见的。电容值随着基板和电极之间的间隙而变化。如果盖子固定不当，变化的间隙可能会影响整个系统的性能和精度。吸胶、磁校准和机械固定是消费电子行业为避免此类问题而采用的一些标准技术。涂层的厚度是另一个重要参数，因为厚度与电容和灵敏度成正比。从产品的角度来说，覆盖层的材质、工艺、外观都是重要的参数。在消费应用中，基于涂层的产品的大规模生产是设计和制造的挑战。传感器元件的布局和接地技术一般来说，PCB的地平面整体上应该是均匀的。这可以减少噪音，因为它是均匀分布的。
但同时也增加了寄生电容Cp，影响了电容传感技术的应用。Cp是与传感器路由相关的重要参数。随着Cp的增加，布局的难度也会增加，因为工程师必须更加小心，不要引入其他寄生电容。这实际上降低了设计者对布线设计的容忍度。因此，电容应用应选择散列接地层，而不是均匀接地层。在传感器感测点没有其他电信号迹线或金属器件。图5显示了这一原理。
电路板工艺的选择也是影响Cp的重要因素。在大多数产品中，观察到柔性材料更适合连接传感器和电路，因为它们给系统增加的Cp更少。总电容是人体触摸电容、PCB电容(FR4和柔性PCB的值不同)、PCB走线电容和系统中其他寄生效应的总和。因此，调试是一个重要的设计环节。最后，通过为电容传感器提供屏蔽装置(即接地层)，可以避免误操作、EMI、EMC噪声和其他不利影响。图6是响应电容激励的截面图。
BOM优化BOM优化也是产品设计的重要标准。复杂的机械设计，外壳和光滑的盖子在增加美观的同时也增加了BOM的成本。使用RT/Duroid基板、玻璃盖和时尚的外壳肯定会创造出一流的产品，但其高昂的成本可能会使其在市场上失败。结论本文讨论了面向消费应用的电容传感技术的工作原理、设计和应用，以及在传感器调试、元器件选择和布局标准中遇到的各种问题，并给出了可能的解决方案。使用集成了电容检测技术所需特性的控制器，可以提高产品的性能和可靠性，降低成本和复杂性。
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