中心議題：

• 手指電容
• 傳感器的PCB布局
• 電容式傳感係統
• 調整傳感器
• 電容式傳感係統性能測量

觸(chu)摸(mo)傳(chuan)感(gan)器(qi)已(yi)經(jing)被(bei)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)很(hen)多(duo)年(nian)了(le)。但(dan)近(jin)期(qi)混(hun)合(he)信(xin)號(hao)可(ke)編(bian)程(cheng)器(qi)件(jian)的(de)發(fa)展(zhan)，讓(rang)電(dian)容(rong)式(shi)觸(chu)摸(mo)傳(chuan)感(gan)器(qi)已(yi)成(cheng)為(wei)各(ge)種(zhong)消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)中(zhong)機(ji)械(xie)式(shi)開(kai)關(guan)的(de)一(yi)種(zhong)實(shi)用(yong)、增值型替代方案。

典型的電容式傳感器覆蓋層的厚度為3mm或(huo)更(geng)薄(bo)。隨(sui)著(zhe)覆(fu)蓋(gai)層(ceng)厚(hou)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)，手(shou)指(zhi)觸(chu)摸(mo)的(de)傳(chuan)感(gan)將(jiang)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)困(kun)難(nan)。換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)，伴(ban)隨(sui)著(zhe)覆(fu)蓋(gai)層(ceng)厚(hou)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)
，係(xi)統(tong)調(tiao)整(zheng)過(guo)程(cheng)將(jiang)必(bi)須(xu)從(cong)科(ke)學(xue)向(xiang)藝(yi)術(shu)發(fa)展(zhan)。為(wei)了(le)說(shuo)明(ming)如(ru)何(he)製(zhi)作(zuo)一(yi)個(ge)能(neng)夠(gou)提(ti)升(sheng)目(mu)前(qian)技(ji)術(shu)極(ji)限(xian)的(de)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)，本(ben)文(wen)所(suo)述(shu)的(de)實(shi)例(li)中(zhong)選(xuan)用(yong)玻(bo)璃(li)覆(fu)蓋(gai)層(ceng)的(de)厚(hou)度(du)為(wei)10mm。玻璃使用簡單，隨處可見

，而且是透明的，所以你可以看到下麵的感應墊。玻璃覆蓋層還可直接應用於白色家電。

手指電容

任何電容式觸摸傳感係統的核心都是一組與電場相互作用的導體。人體皮膚下麵的組織中充滿了傳導電解質---這是一種有損電介質。正是手指的這種導電特性使得電容式觸摸傳感成為可能。

簡(jian)單(dan)的(de)平(ping)行(xing)板(ban)電(dian)容(rong)器(qi)有(you)兩(liang)個(ge)導(dao)體(ti)，這(zhe)兩(liang)個(ge)導(dao)體(ti)之(zhi)間(jian)隔(ge)著(zhe)一(yi)層(ceng)電(dian)介(jie)質(zhi)。該(gai)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)大(da)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)直(zhi)接(jie)聚(ju)集(ji)在(zai)電(dian)容(rong)器(qi)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)。少(shao)許(xu)能(neng)量(liang)會(hui)泄(xie)露(lu)到(dao)電(dian)容(rong)器(qi)極(ji)板(ban)以(yi)外(wai)的(de)空(kong)間(jian)

，而(er)由(you)這(zhe)些(xie)泄(xie)露(lu)能(neng)量(liang)所(suo)形(xing)成(cheng)的(de)電(dian)場(chang)叫(jiao)做(zuo)邊(bian)緣(yuan)場(chang)。製(zhi)作(zuo)實(shi)用(yong)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)部(bu)分(fen)難(nan)題(ti)在(zai)於(yu)需(xu)要(yao)設(she)計(ji)一(yi)套(tao)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)軌(gui)線(xian)，來(lai)將(jiang)邊(bian)緣(yuan)場(chang)引(yin)導(dao)到(dao)用(yong)戶(hu)易(yi)接(jie)近(jin)的(de)有(you)效(xiao)感(gan)應(ying)區(qu)域(yu)中(zhong)。平(ping)行(xing)板(ban)電(dian)容(rong)器(qi)不(bu)是(shi)這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)模(mo)式(shi)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)。

當把手指放在邊緣電場的附近時，電容式傳感係統的導電表麵積會增加。由手指所產生的額外電荷存儲容量
，就是我們所知的手指電容CF。在本文中
，無手指觸摸時的傳感器電容用CP來表示，意指寄生電容。

關於電容式傳感器人們常有這樣的誤解：為了使係統正常工作
，手指必須接地。實際上
，手指之所以被傳感是因為它帶有電荷，而與其是否懸空或接地完全無關。

傳感器的PCB布局

圖1顯示了一塊PCB的頂視圖
，該PCB應用了本設計案例中的一個電容式傳感器按鍵。

圖1：PCB頂視圖。

這個按鍵的直徑為10mm，相當於一個成人指尖的平均尺寸。為該演示電路而組裝的PCB帶有4個按鍵，其中心相隔20mm。如圖1中(zhong)所(suo)示(shi)，接(jie)地(di)平(ping)麵(mian)也(ye)位(wei)於(yu)頂(ding)層(ceng)。金(jin)屬(shu)感(gan)應(ying)墊(dian)和(he)接(jie)地(di)平(ping)麵(mian)之(zhi)間(jian)設(she)置(zhi)了(le)一(yi)個(ge)均(jun)勻(yun)的(de)隔(ge)離(li)間(jian)隙(xi)。該(gai)間(jian)隙(xi)的(de)尺(chi)寸(cun)是(shi)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)設(she)計(ji)參(can)數(shu)。如(ru)果(guo)間(jian)隙(xi)設(she)置(zhi)得(de)過(guo)小(xiao)，則(ze)過(guo)多(duo)的(de)電(dian)場(chang)能(neng)量(liang)將(jiang)直(zhi)接(jie)傳(chuan)遞(di)至(zhi)地(di)。而(er)如(ru)果(guo)間(jian)隙(xi)設(she)置(zhi)得(de)過(guo)大(da)，則(ze)將(jiang)無(wu)法(fa)控(kong)製(zhi)能(neng)量(liang)穿(chuan)越(yue)覆(fu)蓋(gai)層(ceng)的(de)方(fang)式(shi)。將(jiang)間(jian)隙(xi)尺(chi)寸(cun)選(xuan)為(wei)0.5mm，可以很好地使邊緣場透過10mm厚的玻璃覆蓋層。

圖2展示了同一種傳感器模式的截麵圖。

圖2：傳感器的PCB和覆蓋層截麵圖。

如圖所示，PCB上的一個過孔將金屬感應墊與電路板底麵上的印製導線相連。當電場試圖找到最短的接地路徑時，介電常數εr將影響進入材料中的電場能量的密度。標準玻璃窗的εr約為8
，PCB的FR4材料的εr約為4，而白色家電中常用的耐熱玻璃的εr大約為5。本設計案例中采用的是標準的窗玻璃。需要注意的是，在PCB上貼有玻璃紙，即3M公司的468-MP絕緣膠膜。
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電容式傳感係統

該電容式傳感係統的基本元件包括：一個可編程電流源
、一(yi)個(ge)精(jing)密(mi)模(mo)擬(ni)比(bi)較(jiao)器(qi)和(he)一(yi)根(gen)用(yong)來(lai)按(an)順(shun)序(xu)傳(chuan)輸(shu)一(yi)組(zu)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)的(de)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)總(zong)線(xian)。在(zai)本(ben)文(wen)所(suo)討(tao)論(lun)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)，一(yi)個(ge)弛(chi)張(zhang)振(zhen)蕩(dang)器(qi)起(qi)著(zhe)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)作(zuo)用(yong)。該(gai)振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)簡(jian)化(hua)電(dian)路(lu)示(shi)意(yi)圖(tu)如(ru)圖(tu)3所示。

圖3：電容式傳感弛張振蕩器電路。

比較器的輸出被送進脈衝寬度調製器(PWM)的時鍾輸入電路
，這個PWM對一個時鍾頻率為24MHz的16位計數器進行門控。傳感器上麵的手指使電容增大，進而導致計數值增加。手指的存在就是基於這一原理來檢測到的。圖4展示了該係統的典型波形。

圖4：電容式傳感弛張振蕩器電路的波形。

該設備的實現原理圖如圖5所示。

圖5：電容式傳感電路原理圖。

為了實現電容式傳感和串行通信，該電路采用了賽普拉斯的CY8C21x34係列中的PSoC IC芯片。該芯片包含一組模擬和數字功能塊，這些功能塊可由存儲於板上閃存中的固件來配置。另一顆芯片負責處理RS232的電平移位
，以便建立到主機的通信鏈接，並實現波特率為115,200的電容式傳感數據記錄。四個電容傳感按鍵的引腳分配在圖5的表中給出。PSoC是通過一個包含電源、地以及編程引腳SCL和SDA的ISSP接頭來實現編程的。而通過一個DB9連接器將電腦與電容式傳感電路板相連。
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調整傳感器

每次調用上列程序中的調用函數CSR_1_Start()時，均對Button1的電容進行測量。原始計數值被存儲於CSR_1_iaSwResult[ ]陣列中。用戶模塊還跟蹤一個用於原始計數的基線。每個按鍵的基線值均為一個由軟件中的IIR濾波器進行周期性計算的平均原始計數值。IIR濾波器的更新速率是可編程的。基線使得係統能夠適應於由於溫度和其它環境影響而引起的係統中的漂移。開關差分陣列CSR_1_iaSwDiff[ ]包含消除了基線偏移的原始計數值。利用開關差值來決定按鍵目前的開/關狀態。這可使係統的性能保持恒定，即便在基線有可能隨著時間的推移而發生漂移的情況下也是如此。圖6顯示了固件中實現的差分計數與按鍵狀態之間的轉移函數。

圖6：差分計數與按鍵狀態之間的轉移函數。

該(gai)轉(zhuan)移(yi)函(han)數(shu)中(zhong)的(de)延(yan)滯(zhi)帶(dai)來(lai)了(le)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai)之(zhi)間(jian)的(de)快(kuai)速(su)轉(zhuan)換(huan)，即(ji)使(shi)計(ji)數(shu)是(shi)有(you)噪(zao)聲(sheng)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)也(ye)不(bu)例(li)外(wai)。同(tong)時(shi)這(zhe)還(hai)給(gei)按(an)鍵(jian)帶(dai)來(lai)了(le)一(yi)種(zhong)反(fan)跳(tiao)功(gong)能(neng)。低(di)門(men)限(xian)被(bei)稱(cheng)為(wei)“噪聲門限”
，而高門限則被稱為“手指門限”。menxianshuipingdeshedingjuedinglexitongdexingneng。dangfugaicengfeichanghoushi
，xinzaobihendi。zaicileixitongzhongshedingmenxianshuipingshiyixiangjuyoutiaozhanxingdegongzuo
，erzheqiahaoshidianrongshichuanganshejijiqiaodeyibufen。

圖7展示了一個持續時間為3秒的按鍵觸壓操作的理想原始計數波形。

圖7：將門限水平繪製在一個去除了基線的原始計數圖上。

噪聲門限被設定的計數值為10，而手指門限設定的計數值則為60。實際上，在實際計數數據中噪聲分量是始終存在
，圖中沒有顯示是為了能清晰地顯示門限水平。

部分調整過程還包括選擇電流源DAC的電平以及設置用於計數累加的振蕩器周期數。在固件中，函數CSR_1_SetDacCurrent(200, 0)把電流源設定在其低電流範圍內，數值為200(最高255)，大約對應於14μA。函數CSR_1_SetScanSpeed(255)把振蕩器周期數設定為253(255－2)。原始計數和差分計數的分析表明：該係統的寄生引線電容CP約為15pF而手指電容CF約為0.5pF。可見

，手指電容使總電容產生了約3%的變化。對於每個按鍵，每個原始計數值的采集所需要的時間僅為500μs。
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測量性能

電容式傳感係統的性能測量結果示於圖8中。

通過一個終端仿真程序，在主PC上獲得差分計數，然後借助電子製表軟件加以繪製。將手指放置在10mm厚的玻璃覆蓋層上，並持續3miaodeshijian。anjiandekaiguanzhuangtaibeidiejiazaiyuanshijishushang。anjianzaizheliangzhongzhuangtaizhijianganjingliluodizhuanhuan，jishishiyouyutongguohoubolijinxingjianceershiyuanshijishuxinhaozhongjuyoujiaodadezaoshengshiyeshiruci。qingzhuyishouzhiheanjianmenxiansuizhejixiandepiaoyierjinxingzhouqixingtiaozheng。dangjiancedaoshouzhidechuyadongzuoshi，jixianzhijiangsuoding，zhidaoshouzhiyikaiweizhi。

圖9顯示了兩種狀態轉換處的局部細節圖。

在圖9a中，按鍵初始狀態為斷(OFF)狀態。超過手指門限的差分計數的第一個采樣把按鍵狀態轉換至通(ON)狀態。在圖9b中

，低於噪聲門限的差分計數的第一個采樣將按鍵轉換至斷狀態。

與(yu)機(ji)械(xie)式(shi)開(kai)關(guan)相(xiang)比(bi)，基(ji)於(yu)電(dian)容(rong)的(de)觸(chu)摸(mo)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)主(zhu)要(yao)優(you)點(dian)是(shi)耐(nai)用(yong)性(xing)好(hao)
，不(bu)易(yi)損(sun)壞(huai)，可(ke)以(yi)長(chang)期(qi)使(shi)用(yong)。混(hun)合(he)信(xin)號(hao)技(ji)術(shu)的(de)近(jin)期(qi)發(fa)展(zhan)，不(bu)僅(jin)使(shi)得(de)觸(chu)摸(mo)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)成(cheng)本(ben)在(zai)各(ge)種(zhong)消(xiao)費(fei)類(lei)產(chan)品(pin)中(zhong)降(jiang)到(dao)了(le)具(ju)有(you)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)的(de)水(shui)平(ping)，而(er)且(qie)還(hai)提(ti)高(gao)了(le)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)(因為增加了覆蓋層的厚度和耐用性)。利用本文介紹的設計方法

，說明通過一個 10mm的de玻bo璃li來lai檢jian測ce手shou指zhi的de按an鍵jian觸chu壓ya是shi可ke能neng的de，並bing利li用yong基ji於yu噪zao聲sheng門men限xian和he手shou指zhi門men限xian的de反fan跳tiao法fa，實shi現xian了le按an鍵jian開kai關guan狀zhuang態tai之zhi間jian的de幹gan淨jing利li落luo的de轉zhuan換huan，從cong而er使shi電dian容rong式shi觸chu摸mo傳chuan感gan器qi成cheng為wei機ji械xie式shi開kai關guan元yuan件jian的de一yi種zhong實shi用yong型xing替ti代dai方fang案an。