接觸電容式感應接口電路設計分析

電容式感應正在越來(lái)越多地應用于我們的日常生活。優(yōu)雅時(shí)尚的電容式感應界面越來(lái)越廣泛地應用在便攜媒體播放器(PMP)、手機、計算機、POS終端和其它家用電子設備上，如今又開(kāi)始廣泛應用于工業(yè)和醫學(xué)應用領(lǐng)域。

但到底什么是電容式感應呢?電容式感應是一種以觸摸操作為基礎的感應形式。作為傳統機械式按鈕和滑動(dòng)觸頭的一種替代技術(shù)，電容式感應技術(shù)還可以用于設計觸摸屏、觸摸板和接近感應裝置。這項技術(shù)并不感應按鈕的具體狀態(tài)，而是用于檢測導電物體是否存在，許多情況下，用戶(hù)的手指就是這個(gè)導電物體。

觸摸操作系統的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現方式

之所以采用觸摸操作系統，其原因有幾種?；驹蛑皇菫榱双@得更高的可靠性和耐久性。例如，公共信息亭內的按鈕要承受大量不當的使用和頻繁的操作。機械式按鈕會(huì )很容易磨損并導致故障發(fā)生。而更換按鈕和修理機械式傳感器將會(huì )增加總系統成本。而使用觸摸操作系統時(shí)，系統更為耐用，從長(cháng)期角度來(lái)說(shuō)，能夠減少總成本。觸摸操作系統還可以擁有更多靈活性，因為它的按鈕可以用于多項功能。例如，在傳統的工業(yè)鍵盤(pán)上，機械式按鈕實(shí)際上只能執行單項功能，或者只能代表規定好的某個(gè)菜單選項。而在使用觸摸屏時(shí)，因為顯示可以連續改變，所以可以采用更多方式來(lái)設計界面。唯一的限制只是設計方案的需要而巳。同樣的道理，由于單個(gè)按鈕可以應用于多種用途，觸摸操作系統就能夠在更小的空間內擁有更多的功能。最后，觸摸操作系統與機械式按鈕相比的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是：它可以改善最終用戶(hù)的體驗?；谟|摸操作的解決方案通常更為直觀(guān)易懂并且方便用戶(hù)使用。

觸摸操作系統可以采用多種不同方式來(lái)實(shí)現。其中包括采用電阻膜、紅外傳感器，甚至是表面聲波。我們有如此之多的備選方案，為何要采用電容式感應呢?首先，是靈敏度的問(wèn)題。電容式感應能夠在感應到手指存在時(shí)啟用，而無(wú)需電阻膜所要求的觸摸筆或壓力。其次，是耐久性的問(wèn)題。正如以前提到過(guò)的，由于基于觸摸的解決方案沒(méi)有機械運動(dòng)部件，因此它比機械式按鈕和開(kāi)關(guān)更為經(jīng)久耐用。而在各種基于觸摸的解決方案中，電容傳感器擁有極其優(yōu)秀的耐久性。紅外解決方案會(huì )受到表面污染物的不良影響，而電容式感應技術(shù)對環(huán)境因素具有較強的耐受性。最后，足靈活性的問(wèn)題。由于電容式感應可以采用多種外覆層材料，并可以采用不同水平的分辨率和精確度，因此不會(huì )僅限于某些特定應用領(lǐng)域。電容式感應可以應用于消費類(lèi)電子產(chǎn)品中，如移動(dòng)手機、MP3播放器和數碼相機，也可以應用于工業(yè)或家用電器，如冼衣機或信息亭。

電容式感應的工作原理

那么，電容式感應的工作原埋是什么呢?下面的示意圖顯示了1個(gè)電容式感應按鈕的橫截面。如圖所示，在外覆層材料之下，存在導電的銅塊區域和導電的傳感器。在2個(gè)導電元件相互之間靠得很近時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電容值，本圖中標為Cp，這個(gè)電容值是由于傳感器墊板與接地板之間的耦合現象而形成的。Cp屬于寄生電容，典型數量級任10pF至300pF。傳感器與接地板靠近時(shí)也會(huì )形成一個(gè)邊緣電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)能夠穿透外覆層?；旧?，人體組織也屬于導電體。將一根手指放存邊緣電場(chǎng)附近時(shí)，就會(huì )增加這個(gè)電容系統的導電表面面積。

但是，這個(gè)在圖中標為CF的附加手指電容值的數量級在0.1pF至10pF。雖然一根于指的存在會(huì )導致電容發(fā)生變化，但與寄生電容相比，該變化的幅度是相當小的。而傳感器的測得電容值稱(chēng)為CX。在沒(méi)有手指存在的情況下，CX基本上等于CP。而在于指存在時(shí)，CX則為CP和CF的和。

圖1 手指電容值

電容式感應的設計方案

在我們了解了電容式感應的工作原理后，如何開(kāi)始設計某一特定產(chǎn)品的電容式感應界面呢?我們重點(diǎn)要考慮到設計方案的需要。這個(gè)產(chǎn)品將用在什么地方?使用環(huán)境嚴苛嗎?這項設計中最重要的因素是電池的使用時(shí)間還是產(chǎn)品的耐久性?不同的因素對設計方案的影響也各不相同。

根據正在設計的產(chǎn)品類(lèi)型，功耗可能是關(guān)鍵因素，也可能不是關(guān)鍵因素。例如，在由電池供電的手持設備上，功耗具有極為重要的意義。而一種對整體平均功耗即電池使用時(shí)間進(jìn)行控制的方式是設立3個(gè)不同的工作區域。一個(gè)工作區域是快速響應區，這個(gè)區域內的每個(gè)傳感器每200微秒掃描一次。系統會(huì )在按鈕和滑動(dòng)觸摸處于連續操作狀態(tài)下進(jìn)入這一區域。在操作很少或無(wú)操作時(shí)，系統可以進(jìn)入一個(gè)慢速響應區，將掃描頻率減少到大約每100毫秒1次。最后，如果在很長(cháng)時(shí)間內沒(méi)有操作，則系統可以進(jìn)入深度休眠模式，從而節省電力。通過(guò)實(shí)現節能、慢速響應模式，在便攜手持設備每100秒掃描3個(gè)按鈕的情況下，系統的耗電量可以低于50μA的平均電流。

在當今的電子產(chǎn)品領(lǐng)域，噪聲也成為另-項重要的考慮因素。各類(lèi)感應噪聲，諸如來(lái)自電力線(xiàn)路的噪聲，以及來(lái)自移動(dòng)手機或日光燈的輻射噪聲，無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在，所以必須加以考慮。為了進(jìn)行有效防范，我們的目標是增加信噪比，并消除虛假觸摸響應。

在設計信噪比、耐久性、靜電放電抵抗力以及精確度時(shí)，所選擇的外覆層材料以及外覆層厚度具有很大的影響。而且，在考慮材料的類(lèi)型和厚度時(shí)，必須根據產(chǎn)品的需要，在許多方面采取折衷方式。隨著(zhù)外覆層材料厚度的增加，信號和噪聲兩方面均會(huì )減少。但是，外覆層材料越厚，則對于靜電放電的抵抗力就越強。人體的靜電電壓可以高達15 KV，而電容式感應系統的外覆層有助于避免集成電路在遭受此類(lèi)靜電放電時(shí)發(fā)生永久性損壞。另一種解決方法是，使用一層聚酰亞胺(Kapton)帶，這種材料在需要超強靜電放電保護的應用中能夠發(fā)揮良好的作用。當然，外覆層越厚，也就越不容易破裂或者遭到破壞。

CapSense解決方案

一種能夠降低設計難度的理想方式是采用一種靈活的可編程電容式感應解決方案，這種方案還能夠通過(guò)調整以滿(mǎn)足設計需要。一項能夠達到該要求的可編程解決方案就是以PSOC混合信號陣列架構為基礎的賽普拉斯半導體公司的CapSense解決方案。CapSense在實(shí)現時(shí)采用了兩種觸摸感應方式，CapSense逐次逼近(CSA)和CapSense增量求和(CSD)，這兩種方式均經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，因而能夠應對設計電容感應系統時(shí)所遇到的種種挑戰。CSA和CSD方式均在掃描之間定期更新動(dòng)態(tài)基線(xiàn)，以減少環(huán)境變化帶來(lái)的影響。這樣，隨著(zhù)具體設備的溫度的變化，基線(xiàn)也隨之進(jìn)行調整。這種變化趨勢由基線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)追蹤，以抵消溫度和濕度變化帶來(lái)的影響。在這種方式下，可編程電容式感應解決方案能夠給設計者提供更大的有效設計區域，從而能夠滿(mǎn)足設計方案中多項因素的要求。