电容式触摸传感器

在现有的电子元器件中，开关可以说是最基本的元器件之一。向学生演示电流如何流动的第一个电路通常就是使用开关和灯。工程师可以使用的开关技术多种多样，每种技术都有自身的优缺点。

控制电网电源往往会选择大型机电开关，因为它们采用简单的机械设计（如杠杆作用）即可处理高电压和大电流，而尺寸较小的按钮则适合用于最多处理几伏电压且需要低成本、简单解决方案的消费电类子产品。

不过，用于消费类电子产品的机电开关也面临一些挑战，包括有限的机械和电气生命周期（尤其是对于公用设备，例如芯片和PIN读卡器）。

工业控制应用开关也面临重重挑战。潮湿、多尘或腐蚀性环境会损坏内部触点并堵塞操纵杆和执行器。这些开关由于触点之间产生电弧甚至有可能点燃易爆环境。这种情况下，即便是最小、最简单的开关也需要高IPX等级，确保它们完全密封，不受周围环境影响。

为应对这些挑战，电容式触摸传感器受到了工程师的青睐，它们为开关提供没有移动部件、具有多触点功能，并且可轻松实现环境密封的优秀选项。虽然电容式触摸传感器在消费类电子产品中极其流行，但它们也并非完美无瑕；希望使用这些传感器的工程师需要了解它们的工作原理、可能存在的障碍以及克服这些障碍的方法。

了解电容式触摸传感器

简单地说，电容式触摸传感器就像开关一样，在检测到电容变化时立即激活。大多数其他开关技术依赖于机械动作，但电容式触摸传感器只需手指或触控笔就可激活，不论施加的压力大小（尽管这个参数通常可以调整）。

电容式触摸传感器的工作原理如下：在正常情况下，两个表面板之间的电介质是空气。当手指取代空气时，介电材料发生变化，这将显著降低整体电容。

电容式触摸传感器非常适合用于需要防尘、防污和防油的密封环境应用。例如，厨房经常受食物和灰尘浸渍，这可能会迅速损坏机电开关。而电容式触摸传感器不仅不易损坏，而且还方便擦拭，能提供更卫生的界面。

对于打算用于易爆环境的工业设备来说，这种密封传感器的能力也非常有优势。普通机电开关在接触时会产生火花，火花的大小取决于所使用的电压和电流。如果这些开关密封不当，可能会点燃易爆环境。而电容式触摸传感器因为可以完全密封，所以爆炸风险几乎为零。

电容式触摸传感器的另一个潜在应用是需要更高机械周期数的设备。尽管机电开关的机械生命周期可达数百万次，但某些应用还需要更高的周期数，如公交站的支付终端。电容式触摸传感器由于不存在机械部件，因此实际上不会有长期的机械磨损。

最后，电容式触摸传感器非常适合用于自助结账屏幕，特别是因为这种表面非常容易清洁，而且不会损坏电容式触摸传感器。自新冠疫情开始以来，这一点愈来愈重要，因为作为病毒防控工作的一部分，许多组织会定时清洁共享触摸屏表面。

集成电容式触摸传感器

在集成电容式触摸传感器时，工程师应该牢记几点，包括电容式触摸传感器的类型、功耗、来自附近电子设备的干扰以及灵敏度。

● 物理特性

电容式触摸传感器最常见的类型之一就是安装在印刷电路板 (PCB) 上。这种类型作为PCB的一项功能整体制造，这是一种极为经济的界面创建方法。对于PCB安装的电容式触摸传感器，其设计要求相对简单，只需要顶层有一个电极栅，周围有一个接地平面。市场上的众多微控制器支持直接读取这些开关，从而进一步简化了这类传感器的设计。

在PCB中设计电容式触摸传感器时，传感器的尺寸不应超过指尖的平均尺寸;一般来说，PCB中的电容式触摸传感器直径在8mm到20mm之间。如果尺寸太大，传感器就会过于敏感，这可能会导致一种被称为“指针阴影”的现象，即手或手臂靠近即触发传感器。

● 功率考量因素

机电开关是无源元件，不需要电力就能运行，而电容式触摸传感器则完全是有源的 — 它们需要电力，对于非常看重能效的应用，这可能会带来一些挑战。在工作过程中，电容式触摸传感器通过外部电路充电，充电时间由微控制器计算。由于充电时间取决于电容，因此检测到手指将会改变最终的充电时间 — 软件中也可检测到这一变化。所以，电容式触摸传感器既需要充电电流，也需要主动扫描传感器的微控制器。

工程师们采用不同的技术来降低电容式触摸传感器的功耗。最常见的是功率循环。在这个阶段，电容式触摸传感器的检查频率较低，以尽量减少能源浪费。只有当检测到手指或触控笔时，系统才会增加每秒检查循环的次数，以确保准确性。

另一种降低功耗的技术需要使用唤醒算法，该算法在将微控制器置于睡眠状态下仍可操作电容式触摸外设。与功率循环一样，该方法在唤醒主处理器之前只定期检查是否存在手指，以确定采取什么操作。

● 噪声和干扰

电容式触摸传感器的一个主要缺陷就是容易受噪声和干扰影响。因此，工程师必须确保尽可能消除或减少干扰源。例如，电源的波动很容易给传感器本身注入噪声，特别是开关模式电源和微控制器操作引起的高频噪声。因此，电源和微控制器必须有足够的解耦以及低通滤波器。

外部电磁干扰 (EMI) 是一个特别麻烦的干扰源，因为电容式触摸传感器较大面板本身也充当天线。因此，工程师必须提供足够的接地平面并保持传感器电路远离嘈杂元件，从而屏蔽传感器免受嘈杂EMI源的影响。

环境温度的变化也会影响电容式触摸传感器的传感能力，主要是因为手指的介电常数随着温度的变化而变化较大。尽管人类的核心温度比较稳定，但四肢的温度波动大，这些变化导致很难检测到手指的存在。同时，较低的温度也会减少皮肤上的水分，从而影响电容式触摸传感器的工作表现。

● 灵敏度

电容式触摸传感器产生非线性模拟输出（相对于简单的数字开/关输出），因此它们并非仅可用于简单的检测。例如，这种非线性输出可用于确定手指的距离和施加的压力，从而实现高级功能。

虽然这种非线性特征在某些应用中非常可取，但对环境条件的灵敏度可能会使电容式触摸传感器的调谐非常困难。例如，多尘环境中的电容式触摸传感器将要求提高灵敏度，而潮湿环境（如潮湿气候）则可能要求降低传感器灵敏度。

● 电气规格

电容式触摸传感器的工作电压范围较宽，众多天然支持电容式触摸传感器的微控制器将集成所有必要的电压驱动器和电流读取器来操作这些开关。因此，设计工程师通常可以将注意力集中在电容式触摸传感器的物理尺寸和设计上，而无需担心电压电平、总线转换器和其他电气方面。

● 安装及布局设计

电容式触摸传感器的设计较为复杂，需要考虑的设计因素包括传感器的尺寸、接地平面的使用以及覆盖传感器的材料。对工程师而言，幸运的是，有大量的深入研究资源描述了传感器工作所需的不同传感器设计和计算数据。这些资源通常由包含电容式触摸传感器外设的微控制器的制造商发布。

前面说过，电容式触摸传感器必须远离嘈杂的EMI源。传感器周围的接地也很重要，工程师应该考虑整个设备的外壳。例如，未接地的金属外壳会将噪声引入电容式触摸传感器，使其难以可靠地检测按压动作。

● 界面

尽管设计工程师可以创建自己的电容式触摸界面，但借鉴一套现成的解决方案要容易得多。在大多数情况下，这些微控制器拥有直接驱动电容式触摸传感器所需的全部外设，这不仅消除了对外部组件的需求，而且还降低了最终设计的价格和尺寸。

● 校准

校准是集成电容式触摸传感器极其重要的一步。再多的理论和计算也不可能让电容式触摸传感器不经过任何校准就能在工厂一次性完成设定；因此，工程师应该考虑如何在制造过程中或客户首次设置阶段执行校准。

校准电容式触摸传感器的最佳方法就是多次取值，找到平均值，然后添加阈值。只有这样才能保证每次按下开关时都能激活开关，并且阈值可体现湿度、温度和碎片的轻微变化。最后，还可以通过以下方法对高级手势控制进行校准：执行多次相同动作，记录数据，对这些数据取平均值，然后将这些数据输入用于识别手势的算法中，如果使用人工智能 (AI)，则用收集到的原始数据训练AI。

结语

尽管电容式触摸传感器可能需要微控制器来操作和屏蔽噪声源，但其完全固态设计、相对较低的成本和手势支持，使其成为了工业控制应用中传统机电开关的绝佳替代品。本文简要介绍了电容式触摸传感器及其一些用途和设计。有关更详细的信息，请参阅传感器及其支持微控制器的数据手册和应用说明。

作者简介

Robin Mitchell是一名电子工程师，自13岁起就涉足电子行业。在华威大学 (University of Warwick) 获得学士学位后，Robin转入在线内容创作领域，潜心创作针对专业人士和创客的文章、新闻和项目。目前，Robin经营着一家提供教育套件和资源的小型电子企业MitchElectronics。