如何在电容式触摸感应界面实现可靠的手套触摸

电容式触摸感应用户界面正逐步替代消费、医疗与工业领域产品的机械按键。不过，随着触摸感应用户界面问世，最终用户也需要高级功能，如：可模拟机械 按键功能的触觉支持与手套触摸，还有手写笔支持和接近感应。这些功能可以改善产品的整体用户体验，而且可以为制造商带来脱颖而出的机遇。本文主要介绍上述 功能之一——手套触摸，其越来越多地应用于消费、工业及医疗领域。例如，即使在用户由于天气寒冷穿戴手套的情况下，可穿戴智能腕带的触摸界面也应当正常工 作，而医疗实验室设备在受到乳胶手套触摸时也应当正常运行。

但是，在电容式触摸界面实现手套触摸并非易事，而且大多数实现方案往往只能提供不可靠、不一致的性能。本文专门探讨在电容式触摸按键上实现手套触摸的挑战以及如何解决相关挑战，从而设计出具备手套触摸功能的稳健、可靠触摸感应界面。

实现可靠的手套触摸存在两大挑战，即：

　　- 检测戴手套手部产生的弱信号

　　- 忽略悬停在传感器上方的手指产生的误判触摸

了解手套触摸为何产生弱信号

电容式触摸感应的工作原理是手指触摸传感器的覆盖层时会引起传感器的电容变化。触摸感应控制器可以测量此电容变化并将其转换到数字域（模数转换）。在测量值超过预定义阈值时则记录触摸操作。

手指触摸引起的数字化电容变化被称为信号，而并非由手指触摸造成的数字化电容的意外变化被称为噪声。可靠的触摸感应系统建议采用5:1的信噪比（SNR）。图1说明了在触摸感应系统中如何测量电容。

简而言之，手指产生的电容可以视为平行板电容器，其中手指和传感器是两个导电板，而覆盖层是平板之间的电介质。手指产生的电容变化与传感器、手指（即： 平板面积）的尺寸和覆盖层材料的介电常数成正比；但是与传感器上的覆盖层厚度（即：平板之间的距离）成反比。覆盖层越厚，则平板间距离越大，从而使电容变 化越小。这会降低信噪比。

　　图1 – 触摸感应系统中的电容测量。

手指穿戴手套时会在现有覆盖层之上增加一个与手套厚度成正比的新覆盖层，从而提高覆盖层总厚度。其会使信号强度降低到预定义阈值以下，因此一般无法检测到戴手套手部的触摸操作。这就是为什么大多数用户脱去手套才能有效触摸电容式触摸感应界面的按键。

了解"意外悬停"如何造成误判触摸

通过提高灵敏度，触摸传感器经过调校之后可以支持更厚的覆盖层。同样，触摸传感器经过调校可以检测戴手套手部的触摸。提高传感器的灵敏度意味着其只需要更小的电容变化就能够检测触摸。

但是，此处的难题在于它会产生一种被称为"意外悬停"的情况，其中接近传感器的光手指（悬停在传感器上方）会产生与手套触摸等效的电容变化。错误触摸会 被记录为手套触摸，尽管手指未触摸传感器，也未穿戴手套。这种情况一般都不符合需要，而且会对产品的用户体验带来不利影响。图2显示了手套触摸、手指触摸 和悬停手指产生的信号。

　　图2 – 手套触摸、手指触摸与悬停手指产生的信号

因此，设计人员面临以下问题：针对正常触摸感应进行调校的系统无法检测戴手套手部的触摸，而针对手套触摸进行调校的系统会由于"意外悬停"产生误判触摸。

一种简单而不精巧的解决方案是在设计中添加用户触发的中断信号或物理开关，以指示他们是否穿戴手套。这会损害用户体验，尤其是需要"精简操作"的消费类产品以及需要在各种情况下均同样操作的医疗产品。

提高手套触摸信号强度的主要设计参数

在提高手套触摸信号强度时需要考虑三个重要设计参数：

灵敏度：灵 敏度是电容式触摸感应电路产生信号能力的测量指标 – 电路越敏感，则生成的信号越强。灵敏度一般按电容计数测量。对于电容式触摸感应，一次触摸产生的变化幅度在100飞法（fF）量级。戴手套手指触摸一般产 生100fF电容。灵敏度为500次/pF的电路可以针对100fF触摸产生50个信号计数，而灵敏度为50次/pF的电路对于相同触摸只能产生5个信号 计数。因此，电路灵敏度越高，则手套触摸检测越可靠。

寄生电容：寄生电容是传感器的固有电容，其源于传感器与其它导电物体的接近。由于触摸相互作用产生的电容变化（信号）可以视为与传感器的寄生电容相关。电容变化与寄生电容之比越高，则传感器可以调校的灵敏度越高。

例如，采用12位模数转换器的电容式触摸感应电路最高输出是4096。寄生电容为16pF的传感器经调校后可达到最高为256次/pF的灵敏度，超过此 值时模数转换器就会饱和。不过，如果把寄生电容降低到8pF，则传感器