面向手持移动设备的触摸传感技术解析

典型的食用油如橄榄油或杏仁油的介电常数在2.8-3.0之间。石蜡在华氏68度时的介电常数在2.2-4.7之间。这些材料的介电常数接近甚至小于传感器常用覆膜聚碳酸脂(2.9-3.2)或ABS材料(2.87-3.0)的介电常数。因而，油对传感器的操作没有多大影响。

相反，甘油的介电常数在47-68之间，水的介电常数约为80。尽管这些材料的介电常数比覆膜材料高，对于使用数字触摸检测技术(如ATLab公司开发并拥有产权的FMA1127触摸传感器控制器所使用的技术)的触摸传感器来说，由于传感器垫片和溅上的液体都没有接地，溅上这些液体不会引起任何异常行为。

尽管触摸传感器的操作细节和接口依赖于具体的应用，一般来说，容性传感器接口电路和检测方法有模拟和数字两种类型。一种模拟技术是测量频率或工作周期，这些量因为在手指和地之间引入额外的电容而发生变化(见图2)。

图2： 模拟触摸方案;由于需使用参考地，可能会受到水滴的影响。

利用这种技术和高分辨率的模数转换器(ADC)，可以把测到的模拟电压转换成数字代码。得益于混合信号技术的进步，最新款的电容/数字转换器把高性能模拟前端与低功率高性能ADC集成在一起。

模拟接口电路的一个缺点是容性传感器可能会受到难以捉摸的噪声、串扰、耦合的影响。另外，传感器输出的动态范围受到电源电压的限制，而随着半导体制造技工艺节点的缩小该电源电压在不断降低。

如果使用深亚微米CMOS技术把传感器电路与复杂的数字信号处理模块集成到相同的基底上，情况会变得更具挑战性。为避免外部干扰，该器件可能会要求使用软件工作区，这增加了与之接口的微控制器的存储器开销和性能开销。

全数字传感方法(见图3)可避免与模拟方法有关的问题。数字方法通过使电容成为RC延时线的一部分来检测传感器电容的变化。

图3：数字触摸方案;在存在水滴时仍具有鲁棒的性能。

图3中简单的全数字型时间/数字转换器(TDC)测量该延时线相对于基准RC延时线的差并输出阻抗的变化。寄生电容对RC延时的影响可通过加电补偿来消除。

手指碰到传感器垫片使电容增大进而提高了RC延时时间并导致阻抗变化。把这个阻抗与校准阻抗对比可确定是否发生了触摸事件。该传感方案很容易通过调整RC延时线的电阻来改善性能。

MCU接口

不管使用模拟方法还是数字方法，触摸传感器控制器都可以使用简单的SPI或I(SUP/)2(/SUP)C接口与微控制器相连。MCU(主)通常以主从模式与触摸传感器控制器(从)进行数据交换。

如果MCU没有这样的串行接口，可以使用软件模拟串行接口的方法，但这种方法增加了存储器和性能的开销。把触摸传感器控制器与微控制器集成在一起的芯片已在不久前上市。

消费电子、家庭自动化和工业要求

相对于传统机械按钮、滑块、转轮和开关，触摸传感器控制提供了灵活、可靠且高性价比的替代方案。