面向手持移動(dòng)設備的觸摸傳感技術(shù)

智能手機等新型消費電子產(chǎn)品使得觸摸屏開(kāi)始風(fēng)靡，觸摸傳感器提供方便的控制方式，幾乎可用于控制任何類(lèi)型的設備。

觸摸傳感控制器目前提供一些通用的性能選項和形態(tài)，如滑塊和鄰近傳感器。觸摸傳感器技術(shù)的進(jìn)步使傳感器驅動(dòng)型接口更易于實(shí)現，對終端用戶(hù)更為直觀(guān)和簡(jiǎn)單。

大多數觸摸傳感控制器依據所檢測到的電容變化來(lái)工作(見(jiàn)圖1)――當某種物體或某個(gè)人接近或觸摸傳感器的導電金屬片時(shí)，手指與金屬片之間的電容發(fā)生變化。導電物體(如手指)在傳感器附近移動(dòng)將改變電容傳感器的電場(chǎng)線(xiàn)并使電容發(fā)生變化?？刂齐娐房蓽y出電容的變化。

工業(yè)應用系統從多年前開(kāi)始就使用這種電容檢測技術(shù)來(lái)測量液位、濕度和材料成份。這種從這些應用發(fā)展而來(lái)的技術(shù)逐漸演化成人機接口。

觸摸傳感器接口通常通過(guò)測量與傳感器墊片相連的電路的阻抗來(lái)檢測電容變化。觸摸控制器周期性地測量傳感器輸入通道的阻抗并用這些值來(lái)導出一個(gè)內部基準，即校準阻抗?？刂破饕赃@個(gè)阻抗值為基礎判定是否發(fā)生了觸摸事件。

下面的簡(jiǎn)化公式表明了手指逼近對觸摸墊片電容產(chǎn)生的主要影響。這個(gè)公式可用于確定傳感器墊片的電容和強度。

* C表示電容，單位為法拉

* A是單個(gè)金屬墊片的面積，單位為平方米

* εr是金屬墊片間材料的相對靜態(tài)介電常數(真空=1)

* ε0是自由空間的介電常數=8.854×10(SUP/)-12(/SUP)F/m

* D是板之間的距離或間隔，單位為米。

另外，觸摸強度隨壓力、觸摸面積或電容的增加而增大。D減小等價(jià)于電容增大或觸摸強度增大。

這個(gè)方程表明，覆膜厚度及其介電常數對觸摸強度影響很大。該方程還表明，電容傳感器本質(zhì)上對周?chē)h(huán)境和觸摸激勵的特性敏感――不管觸摸來(lái)自手指、乙烯基、橡膠、棉花、皮革或水(見(jiàn)圖1)。

圖1：觸摸靈敏度依賴(lài)于覆膜材料、墊片尺寸和厚度。

表1列出了各種常用覆膜材料的介電常數。我們可以基于這些值來(lái)考察觸摸傳感器在廚房中的應用，因為在廚房中這些傳感器很容易濺上食用油。

表1：介電常數。

典型的食用油如橄欖油或杏仁油的介電常數在2.8-3.0之間。石蠟在華氏68度時(shí)的介電常數在2.2-4.7之間。這些材料的介電常數接近甚至小于傳感器常用覆膜聚碳酸脂(2.9-3.2)或ABS材料(2.87-3.0)的介電常數。因而，油對傳感器的操作沒(méi)有多大影響。

相反，甘油的介電常數在47-68之間，水的介電常數約為80。盡管這些材料的介電常數比覆膜材料高，對于使用數字觸摸檢測技術(shù)(如ATLab公司開(kāi)發(fā)并擁有產(chǎn)權的FMA1127觸摸傳感器控制器所使用的技術(shù))的觸摸傳感器來(lái)說(shuō)，由于傳感器墊片和濺上的液體都沒(méi)有接地，濺上這些液體不會(huì )引起任何異常行為。

盡管觸摸傳感器的操作細節和接口依賴(lài)于具體的應用，一般來(lái)說(shuō)，容性傳感器接口電路和檢測方法有模擬和數字兩種類(lèi)型。一種模擬技術(shù)是測量頻率或工作周期，這些量因為在手指和地之間引入額外的電容而發(fā)生變化(見(jiàn)圖2)。

圖2： 模擬觸摸方案；由于需使用參考地，可能會(huì )受到水滴的影響。

利用這種技術(shù)和高分辨率的模數轉換器(ADC)，可以把測到的模擬電壓轉換成數字代碼。得益于混合信號技術(shù)的進(jìn)步，最新款的電容/數字轉換器把高性能模擬前端與低功率高性能ADC集成在一起。

模擬接口電路的一個(gè)缺點(diǎn)是容性傳感器可能會(huì )受到難以捉摸的噪聲、串擾、耦合的影響。另外，傳感器輸出的動(dòng)態(tài)范圍受到電源電壓的限制，而隨著(zhù)半導體制造技工藝節點(diǎn)的縮小該電源電壓在不斷降低。

如果使用深亞微米CMOS技術(shù)把傳感器電路與復雜的數字信號處理模塊集成到相同的基底上，情況會(huì )變得更具挑戰性。為避免外部干擾，該器件可能會(huì )要求使用軟件工作區，這增加了與之接口的微控制器的存儲器開(kāi)銷(xiāo)和性能開(kāi)銷(xiāo)。

全數字傳感方法(見(jiàn)圖3)可避免與模擬方法有關(guān)的問(wèn)題。數字方法通過(guò)使電容成為RC延時(shí)線(xiàn)的一部分來(lái)檢測傳感器電容的變化。

圖3：數字觸摸方案；在存在水滴時(shí)仍具有魯棒的性能。

圖3中簡(jiǎn)單的全數字型時(shí)間/數字轉換器(TDC)測量該延時(shí)線(xiàn)相對于基準RC延時(shí)線(xiàn)的差并輸出阻抗的變化。寄生電容對RC延時(shí)的影響可通過(guò)加電補償來(lái)消除。

手指碰到傳感器墊片使電容增大進(jìn)而提高了RC延時(shí)時(shí)間并導致阻抗變化。把這個(gè)阻抗與校準阻抗對比可確定是否發(fā)生了觸摸事件。該傳感方案很容易通過(guò)調整RC延時(shí)線(xiàn)的電阻來(lái)改善性能。