圖1: 電容測量

與此類(lèi)似，我們可以依據表面面積特性計算出其它對稱(chēng)表面。對于非對稱(chēng)電極，場(chǎng)線(xiàn)可以給出等勢面和通量線(xiàn)的近似值。因此，可以通過(guò)像素點(diǎn)方塊的數量估算出電容值。
基于電容傳感技術(shù)的觸摸模塊包括按鍵、滑塊、觸摸板、接近感應傳感器、觸摸界面、旋轉編碼器以及其它可用于替代噪聲大、笨重的機械按鍵和開(kāi)關(guān)的界面組件。與機械界面相比，它們不僅能夠縮小系統電路板尺寸，而且還能降低功耗。例如，電容觸摸界面通常工作于1.8V－5V之間，甚至低至0.9 V，但是它們在靈敏度、功耗要求和誤觸方面可能存在問(wèn)題。
一個(gè)電容傳感子系統需要圖2中顯示的組件。覆蓋層是PCB（印刷電路板）上設備的頂層界面，與用戶(hù)直接接觸。它是一個(gè)光滑表面，用戶(hù)通過(guò)觸摸它執行具體操作。覆蓋層可以是玻璃、木質(zhì)、丙烯酸、塑料或其它任何非導電材料。下一個(gè)組件是PCB。PCB根據介電常數及損耗選擇。種類(lèi)包括：面向低成本應用的FR4基板以及面向高成本應用的低損耗RT/duroid高頻線(xiàn)路板材料基板。另一個(gè)重要組件是傳感器感應點(diǎn)，要求非常靈敏，其設計和在PCB的布置有一定的標準。最后也是最重要的組件就是主控制器，它是負責實(shí)現觸摸界面所需的所有信號調節與處理工作的大腦。

   
圖2:電容傳感子系統的組件

電容測量可采用兩種方法完成：即互電容和自電容。

圖3 顯示了這兩種方法的工作原理。

圖3:互電容和自電容測量的工作原理

在自電容傳感器中，測量的是對地電容；而在互電容傳感器中，一個(gè)Tx電極和一個(gè) Rx電極均被用于檢測觸摸和非觸摸操作。但觸摸發(fā)生時(shí)，信號從Tx電極流向Rx電極。該信號與互電容直接成正比。因此，當觸摸發(fā)生時(shí)，互電容降低，而自電容升高。自電容一般用于單點(diǎn)觸摸應用（即單手指界面），而多點(diǎn)觸摸應用（即可以使用多個(gè)手指，如二指手勢）需要互電容。
設計方法
雖然電容傳感技術(shù)可提供令用戶(hù)滿(mǎn)意的界面，但設計人員需要維持穩定的性能，同時(shí)滿(mǎn)足預算限制。魯棒性、可靠性、精度和靈敏度是工程師必須為基于電容觸摸的應用實(shí)現的關(guān)鍵特性。我們在本節將探討工程師需要解決哪些問(wèn)題才能有效實(shí)現消費應用中的電容傳感設計。
控制器的選擇
控制器選擇是設計過(guò)程中非常重要的一環(huán)。市場(chǎng)上目前有眾多控制器，每種都有其特殊的能力和特性。適合電容傳感的控制器應在芯片中內置一個(gè)良好的模擬電路，以實(shí)現較高的SNR（信噪比 ），維持性能和精度。此外，還建議控制器支持信號調節功能，因為處理電容信號（尤其是在那些多點(diǎn)觸摸應用中）需要進(jìn)行大量的信號調節。增加用于信號調節的驅動(dòng)器、緩存器或轉換器等額外硬件通常不是什么好主意，因為這些組件可能會(huì )增加路徑噪聲和損耗以及物料（BOM）成本。設計用于傳輸模擬數據的走線(xiàn)也需要特殊技能，因為走線(xiàn)尺寸決定了信號強度，而后者與阻抗匹配成正比。

PSoC（可編程片上系統）控制器內置電容檢測感應功能以及運算放大器、互阻抗放大器（TIA）等信號調理電路，它們能讓工程師在不增加硬件的情況下將傳感器與控制器直接對接。
電容傳感技術(shù)對水和濕氣也很敏感。這有可能影響洗衣機、冰箱等應具備防潮能力的應用的性能和可靠性。水也有電容率，因此會(huì )增加電容值，影響電容觸摸效果。因此，電容感應傳感器必須具備防水性，從而讓控制器具備防水功能。
很多消費級系統都可以采用以下方式降低成本：使用一個(gè)性能較低的處理器，將模擬傳感器數據和電容測量結果傳輸至離線(xiàn)處理。目前，BLE傳輸技術(shù)通常被用于向安卓和iOS應用傳輸數據。其它應用可能需要使用WiFi、ZigBee或 WiMax等其它無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。一個(gè)支持無(wú)線(xiàn)功能的控制器可極大簡(jiǎn)化設計。
調諧方法和固件功能
對于那些使用電容傳感技術(shù)的系統而言，模擬傳感器調諧是一個(gè)重要的設計步驟。電容感應的精度在很大程度上取決于環(huán)境的介電常數，并受觸摸環(huán)境的影響。設備應能在潮濕、低溫、高溫和風(fēng)雪環(huán)境中工作。這可以通過(guò)調節固件中的感應sensor參數來(lái)實(shí)現。調試可以是手動(dòng)或自動(dòng)（即由微處理器支持）。自動(dòng)調試技術(shù)避免了耗時(shí)、耗力的逐步調試傳感器的過(guò)程。手動(dòng)調試對于構建數量較少的應用較為方便，因為它不需要大量軟件，但需要關(guān)注很多因素，如SNR、材料的介電常數、覆蓋層的厚度、靈敏度、響應時(shí)間等等。一個(gè)靈活的控制器應支持自動(dòng)和手動(dòng)調諧功能，從而便于量產(chǎn)和操作。
實(shí)現智能的信號處理算法還需要良好的固件功能�？紤]到調試電容系統的復雜性，控制器必須得到一個(gè)綜合設計環(huán)境的支持。例如，PSoC Creator是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可讓設計人在不需要編寫(xiě)復雜代碼的情況下，設計出具備復雜信號處理功能的電容傳感模塊。
覆蓋層及固定方法的選擇
覆蓋層不僅決定著(zhù)終端產(chǎn)品的外觀(guān)，還決定了其感應靈敏度。圖4顯示了采用電容傳感技術(shù)的系統中所使用的不同類(lèi)型的覆蓋層，如木質(zhì)、丙烯酸和玻璃等。實(shí)驗結果顯示，所有這些覆蓋層均需要調試才能可靠工作。因為固定問(wèn)題而導致的覆蓋層識別等問(wèn)題在消費應用中最常見(jiàn)。

圖4:電容傳感技術(shù)所采用的覆蓋層

電容值隨基板和電極之間的間隙而變化。如果覆蓋層固定不合理，不斷變化的間隙就可能會(huì )影響整個(gè)系統的性能和精度。吸膠、磁力校準和機械固定是消費電子行業(yè)所采用的避免此類(lèi)問(wèn)題的一些標準技術(shù)。覆蓋層厚度是另一個(gè)重要參數，因為厚度與電容值和靈敏度成正比。從產(chǎn)品角度而言，覆蓋層的材料、工藝和外觀(guān)是重要參數。在消費應用中，量產(chǎn)一款基于覆蓋層的產(chǎn)品是一項設計和制造挑戰。

傳感器元件的布置和接地技術(shù)
通常而言，PCB的地平面應整體均勻。這可以減低噪聲，因為噪聲是均勻分布的。但這同時(shí)增加了寄生電容Cp，從而影響基于電容傳感技術(shù)的應用。Cp是與傳感器走線(xiàn)相關(guān)的重要參數。隨著(zhù)Cp的增加，布局的難度也將增加，因為工程師必須更加謹慎，不引入其它寄生電容。這實(shí)際上降低了設計人員對布線(xiàn)設計的容忍度。
因此，應為電容應用選擇一個(gè)hash接地層，而不是均勻的地平面。傳感器感應點(diǎn)沒(méi)有任何其它電信號走線(xiàn)或金屬器件。圖5顯示了這一原理。

圖5: 電容傳感器電路板的PCB結構

電路板技術(shù)的選擇也是影響Cp的一個(gè)重要因素。在大多數產(chǎn)品中，人們觀(guān)察到柔性材料更適合連接傳感器和電路，因為它給系統增加的Cp較少�？傠娙菔侨擞|摸電容、PCB電容（FR4和柔性PCB的該值不同）、PCB走線(xiàn)電容和系統中其它寄生效應的和。因此，調試是一個(gè)重要的設計環(huán)節。
最后，可通過(guò)為電容傳感器提供屏蔽裝置（即地平面）避免誤觸、EMI、EMC噪聲和其它不良效應。圖6是響應一次電容刺激的橫截面圖。

圖6： 電容墊和布局技術(shù)的橫截面圖

BOM優(yōu)化
BOM優(yōu)化也是產(chǎn)品設計的一個(gè)重要標準。復雜的機械設計、外殼和光滑的覆蓋層在增加美觀(guān)的同時(shí)也增加了BOM成本，采用RT/Duroid基板、玻璃覆蓋層和一個(gè)時(shí)尚的外殼肯定會(huì )打造出一款同類(lèi)最佳產(chǎn)品，但其高昂的成本可能會(huì )令其在市場(chǎng)上遭遇失敗。
結束語(yǔ)
本文探討了面向消費應用的電容傳感技術(shù)的工作原理、設計和應用，以及傳感器調試、組件選擇、布置標準等設計中遇到的各種問(wèn)題，并給出了可能的解決方案。使用一個(gè)集成電容傳感技術(shù)所需特性的控制器可提升產(chǎn)品的性能和可靠性，并降低其成本和復雜性。