电容式感应工作原理及设计分析

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。

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。