接触电容式感应接口电路设计分析

电容式感应正在越来越多地应用于我们的日常生活。优雅时尚的电容式感应界面越来越广泛地应用在便携媒体播放器(PMP)、手机、计算机、POS终端和其它家用电子设备上，如今又开始广泛应用于工业和医学应用领域。

但到底什么是电容式感应呢?电容式感应是一种以触摸操作为基础的感应形式。作为传统机械式按钮和滑动触头的一种替代技术，电容式感应技术还可以用于设计触摸屏、触摸板和接近感应装置。这项技术并不感应按钮的具体状态，而是用于检测导电物体是否存在，许多情况下，用户的手指就是这个导电物体。

触摸操作系统的优点和实现方式

之所以采用触摸操作系统，其原因有几种。基本原因之一是为了获得更高的可靠性和耐久性。例如，公共信息亭内的按钮要承受大量不当的使用和频繁的操作。机械式按钮会很容易磨损并导致故障发生。而更换按钮和修理机械式传感器将会增加总系统成本。而使用触摸操作系统时，系统更为耐用，从长期角度来说，能够减少总成本。触摸操作系统还可以拥有更多灵活性，因为它的按钮可以用于多项功能。例如，在传统的工业键盘上，机械式按钮实际上只能执行单项功能，或者只能代表规定好的某个菜单选项。而在使用触摸屏时，因为显示可以连续改变，所以可以采用更多方式来设计界面。唯一的限制只是设计方案的需要而巳。同样的道理，由于单个按钮可以应用于多种用途，触摸操作系统就能够在更小的空间内拥有更多的功能。最后，触摸操作系统与机械式按钮相比的一个重要优点是：它可以改善最终用户的体验。基于触摸操作的解决方案通常更为直观易懂并且方便用户使用。

触摸操作系统可以采用多种不同方式来实现。其中包括采用电阻膜、红外传感器，甚至是表面声波。我们有如此之多的备选方案，为何要采用电容式感应呢?首先，是灵敏度的问题。电容式感应能够在感应到手指存在时启用，而无需电阻膜所要求的触摸笔或压力。其次，是耐久性的问题。正如以前提到过的，由于基于触摸的解决方案没有机械运动部件，因此它比机械式按钮和开关更为经久耐用。而在各种基于触摸的解决方案中，电容传感器拥有极其优秀的耐久性。红外解决方案会受到表面污染物的不良影响，而电容式感应技术对环境因素具有较强的耐受性。最后，足灵活性的问题。由于电容式感应可以采用多种外覆层材料，并可以采用不同水平的分辨率和精确度，因此不会仅限于某些特定应用领域。电容式感应可以应用于消费类电子产品中，如移动手机、MP3播放器和数码相机，也可以应用于工业或家用电器，如冼衣机或信息亭。

电容式感应的工作原理

那么，电容式感应的工作原埋是什么呢?下面的示意图显示了1个电容式感应按钮的横截面。如图所示，在外覆层材料之下，存在导电的铜块区域和导电的传感器。在2个导电元件相互之间靠得很近时，就会产生一个电容值，本图中标为Cp，这个电容值是由于传感器垫板与接地板之间的耦合现象而形成的。Cp属于寄生电容，典型数量级任10pF至300pF。传感器与接地板靠近时也会形成一个边缘电场，这个电场能够穿透外覆层。基本上，人体组织也属于导电体。将一根手指放存边缘电场附近时，就会增加这个电容系统的导电表面面积。

但是，这个在图中标为CF的附加手指电容值的数量级在0.1pF至10pF。虽然一根于指的存在会导致电容发生变化，但与寄生电容相比，该变化的幅度是相当小的。而传感器的测得电容值称为CX。在没有手指存在的情况下，CX基本上等于CP。而在于指存在时，CX则为CP和CF的和。

图1 手指电容值

电容式感应的设计方案

在我们了解了电容式感应的工作原理后，如何开始设计某一特定产品的电容式感应界面呢?我们重点要考虑到设计方案的需要。这个产品将用在什么地方?使用环境严苛吗?这项设计中最重要的因素是电池的使用时间还是产品的耐久性?不同的因素对设计方案的影响也各不相同。

根据正在设计的产品类型，功耗可能是关键因素，也可能不是关键因素。例如，在由电池供电的手持设备上，功耗具有极为重要的意义。而一种对整体平均功耗即电池使用时间进行控制的方式是设立3个不同的工作区域。一个工作区域是快速响应区，这个区域内的每个传感器每200微秒扫描一次。系统会在按钮和滑动触摸处于连续操作状态下进入这一区域。在操作很少或无操作时，系统可以进入一个慢速响应区，将扫描频率减少到大约每100毫秒1次。最后，如果在很长时间内没有操作，则系统可以进入深度休眠模式，从而节省电力。通过实现节能、慢速响应模式，在便携手持设备每100秒扫描3个按钮的情况下，系统的耗电量可以低于50μA的平均电流。

在当今的电子产品领域，噪声也成为另-项重要的考虑因素。各类感应噪声，诸如来自电力线路的噪声，以及来自移动手机或日光灯的辐射噪声，无时无刻不存在，所以必须加以考虑。为了进行有效防范，我们的目标是增加信噪比，并消除虚假触摸响应。

在设计信噪比、耐久性、静电放电抵抗力以及精确度时，所选择的外覆层材料以及外覆层厚度具有很大的影响。而且，在考虑材料的类型和厚度时，必须根据产品的需要，在许多方面采取折衷方式。随着外覆层材料厚度的增加，信号和噪声两方面均会减少。但是，外覆层材料越厚，则对于静电放电的抵抗力就越强。人体的静电电压可以高达15 KV，而电容式感应系统的外覆层有助于避免集成电路在遭受此类静电放电时发生永久性损坏。另一种解决方法是，使用一层聚酰亚胺(Kapton)带，这种材料在需要超强静电放电保护的应用中能够发挥良好的作用。当然，外覆层越厚，也就越不容易破裂或者遭到破坏。

CapSense解决方案

一种能够降低设计难度的理想方式是采用一种灵活的可编程电容式感应解决方案，这种方案还能够通过调整以满足设计需要。一项能够达到该要求的可编程解决方案就是以PSOC混合信号阵列架构为基础的赛普拉斯半导体公司的CapSense解决方案。CapSense在实现时采用了两种触摸感应方式，CapSense逐次逼近(CSA)和CapSense增量求和(CSD)，这两种方式均经过了优化，因而能够应对设计电容感应系统时所遇到的种种挑战。CSA和CSD方式均在扫描之间定期更新动态基线，以减少环境变化带来的影响。这样，随着具体设备的温度的变化，基线也随之进行调整。这种变化趋势由基线进行自动追踪，以抵消温度和湿度变化带来的影响。在这种方式下，可编程电容式感应解决方案能够给设计者提供更大的有效设计区域，从而能够满足设计方案中多项因素的要求。