电容式触摸传感器的应用设计技巧与分析

触摸传感器已经被广泛使用很多年了。但近期混合信号可编程器件的发展，让电容式触摸传感器已成为各种消费电子产品中机械式开关的一种实用、增值型替代方案。

典型的电容式传感器覆盖层的厚度为3mm或更薄。随着覆盖层厚度的增加，手指触摸的传感将变得越来越困难。换句话说，伴随着覆盖层厚度的增加，系统调整过程将必须从科学向艺术发展。为了说明如何制作一个能够提升目前技术极限的电容式传感器，本文所述的实例中选用玻璃覆盖层的厚度为10mm。玻璃使用简单，随处可见，而且是透明的，所以你可以看到下面的感应垫。玻璃覆盖层还可直接应用于白色家电。

任何电容式触摸传感系统的核心都是一组与电场相互作用的导体。人体皮肤下面的组织中充满了传导电解质---这是一种有损电介质。正是手指的这种导电特性使得电容式触摸传感成为可能。

简单的平行板电容器有两个导体，这两个导体之间隔着一层电介质。该系统中的大部分能量直接聚集在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间，而由这些泄露能量所形成的电场叫做边缘场。制作实用电容式传感器的部分难题在于需要设计一套印刷电路板轨线，来将边缘场引导到用户易接近的有效感应区域中。平行板电容器不是这种传感器模式的理想选择。

当把手指放在边缘电场的附近时，电容式传感系统的导电表面积会增加。由手指所产生的额外电荷存储容量，就是我们所知的手指电容CF。在本文中，无手指触摸时的传感器电容用CP来表示，意指寄生电容。

关于电容式传感器人们常有这样的误解：为了使系统正常工作，手指必须接地。实际上，手指之所以被传感是因为它带有电荷，而与其是否悬空或接地完全无关。

1 传感器的PCB布局

图1显示了一块PCB的顶视图，该PCB应用了本设计案例中的一个电容式传感器按键。

                                             图1：PCB顶视图

这个按键的直径为10mm，相当于一个成人指尖的平均尺寸。为该演示电路而组装的PCB带有4个按键，其中心相隔20mm。如图1中所示，接地平面也位于顶层。金属感应垫和接地平面之间设置了一个均匀的隔离间隙。该间隙的尺寸是一个重要的设计参数。如果间隙设置得过小，则过多的电场能量将直接传递至地。而如果间隙设置得过大，则将无法控制能量穿越覆盖层的方式。将间隙尺寸选为0.5mm，可以很好地使边缘场透过10mm厚的玻璃覆盖层。

图2展示了同一种传感器模式的截面图。

                                        图2：传感器的PCB和覆盖层截面图。

如图所示，PCB上的一个过孔将金属感应垫与电路板底面上的印制导线相连。当电场试图找到最短的接地路径时，介电常数εr将影响进入材料中的电场能量的密度。标准玻璃窗的εr约为8，PCB的FR4材料的εr约为4，而白色家电中常用的耐热玻璃的εr大约为5。本设计案例中采用的是标准的窗玻璃。需要注意的是，在PCB上贴有玻璃纸，即3M公司的468-MP绝缘胶膜。

2 电容式传感系统101

该电容式传感系统的基本元件包括：一个可编程电流源、一个精密模拟比较器和一根用来按顺序传输一组电容式传感器信号的多路复用总线。在本文所讨论的系统中，一个弛张振荡器起着电容传感器的作用。该振荡器的简化电路示意图如图3所示。

图3：电容式传感弛张振荡器电路

比较器的输出被送进脉冲宽度调制器(PWM)的时钟输入电路，这个PWM对一个时钟频率为24MHz的16位计数器进行门控。传感器上面的手指使电容增大，进而导致计数值增加。手指的存在就是基于这一原理来检测到的。图4展示了该系统的典型波形。

                                      图4：电容式传感弛张振荡器电路的波形

该设备的实现原理图如图5所示

                                         图5：电容式传感电路原理图

为了实现电容式传感和串行通信，该电路采用了赛普拉斯的CY8C21x34系列中的PSoC IC芯片。该芯片包含一组模拟和数字功能块，这些功能块可由存储于板上闪存中的固件来配置。另一颗芯片负责处理RS232的电平移位，以便建立到主机的通信链接，并实现波特率为115,200的电容式传感数据记录。四个电容传感按键的引脚分配在图5的表中给出。PSoC是通过一个包含电源、地以及编程引脚SCL和SDA的ISSP接头来实现编程的。而通过一个DB9连接器将电脑与电容式传感电路板相连。