1.電容式傳感的基本原理
電容傳感技術(shù)為開(kāi)發(fā)人員提供了一種與用戶互動(dòng)的全新方式，在設(shè)計(jì)一個(gè)電容感應(yīng)式觸摸開(kāi)關(guān)時(shí)，需要考慮許多不同的因素。從以往的使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在各種不同的工作條件下，開(kāi)關(guān)的靈敏性必須與多種情況相兼容。本節(jié)我們要討論在設(shè)計(jì)電容感應(yīng)式觸摸開(kāi)關(guān)PCB觸點(diǎn)圖形時(shí)，各種不同的排板設(shè)計(jì)對(duì)開(kāi)關(guān)靈敏度的影響，包括電容式傳感技術(shù)如何使器件具有更高的可靠性以及管理電容式傳感技術(shù)的控制器如何通過(guò)提供更多功能為客戶帶來(lái)增值服務(wù)和降低維護(hù)成本。
觸摸傳感電容開(kāi)關(guān)不帶任何機(jī)械部件，并能輕松順應(yīng)曲面應(yīng)用的要求，因而能夠成為當(dāng)前各類(lèi)產(chǎn)品應(yīng)用的理想技術(shù)。利用動(dòng)態(tài)再配置功能，我們可實(shí)現(xiàn)硬件的重復(fù)使用，在不增加額外成本的情況下實(shí)現(xiàn)更多的系統(tǒng)功能。
如下圖所示，電容式開(kāi)關(guān)主要由兩片相鄰的電路極板構(gòu)成，而根據(jù)物理原理，兩片極板之間會(huì)產(chǎn)生電容。如果手指等導(dǎo)體靠近這些極板，平行電容(parallelcaPACi-tance)就會(huì)與傳感器相耦合。將手指置于電容式傳感器上時(shí)，電容量會(huì)升高;移開(kāi)手指，電容量則會(huì)降低，通過(guò)測(cè)量電容量就可以判斷手指的碰觸。
電容式傳感器由兩片電路極板及相互之間的一定空間所構(gòu)成。這些電路極板可以是電路板的一部分，上面直接覆蓋絕緣層，當(dāng)然，也可以使極板順應(yīng)各種曲面的弧度。
構(gòu)建電容式開(kāi)關(guān)的要素包括：電容器、電容測(cè)量電路系統(tǒng)、從電容值轉(zhuǎn)換成感應(yīng)狀態(tài)的局部智能裝置。
典型的電容式傳感器電容值介于10~30pF之間。通常來(lái)說(shuō)，手指經(jīng)由Imm絕緣層接觸到傳感器所形成的耦合電容介于1~2pF的范圍。越厚的絕緣層所產(chǎn)生的耦合電容愈低。若要傳感手指的觸碰，必須實(shí)現(xiàn)能夠檢測(cè)到1%以下電容變化的電容傳感電路。
增量求和調(diào)制器是一種用于測(cè)量電容的高效、簡(jiǎn)單的電路，下圖給出了典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相位開(kāi)關(guān)使傳感器電容向積分電容中注入電荷。該電壓持續(xù)升高，直到大于參考電壓為止。比較器轉(zhuǎn)為高電壓，使放電電阻器開(kāi)始工作。在積分電壓降至參考電壓以下時(shí)，該電阻器停止工作。比較器提供所需的負(fù)反饋，使積分器電壓與參考電壓相匹配。
2.傳感器充電電流
在第1階段，傳感電容(Csensor)的充電達(dá)到供電電壓水平;在第2階段，電荷被傳輸至積分電容(Cint)。反饋使積分電容上的電壓接近參考電壓(kVdd)的值。每次啟動(dòng)該開(kāi)關(guān)組合都會(huì)傳輸一定量的電荷。對(duì)于下式顯示的充電電流而言，電荷傳輸?shù)乃俣扰c開(kāi)關(guān)頻率(fc)成正比
3.放電電流
放電電流通過(guò)電阻實(shí)現(xiàn)。在比較器高電壓時(shí)，會(huì)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)以連接至放電電阻。比較器按一定比例在高、低壓間循環(huán)，以使積分電容電壓等于參考電壓。可將比較器為高電壓時(shí)的百分比定義為“DensitYout”,僅在這部分百分比的時(shí)間段放電。有關(guān)電流的計(jì)算為
在穩(wěn)定狀態(tài)下，充電電流與放電電流必須匹配。設(shè)置IC使其與ID相匹配，則得到
傳感器電容與密度成正比。已知采樣頻率、放電電阻以及參考電壓(VDDK)，只需測(cè)量密度就能計(jì)算出傳感器的電容。可使參考電壓與供電電壓成正比，這樣供電電壓就對(duì)電容/密度的計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響了，這也使得該電路對(duì)于電源具有較強(qiáng)的抗波動(dòng)能力。
數(shù)字電路用于檢測(cè)密度，下圖給出了這種電路的范例。
該脈寬調(diào)制器(PWM)可控制密度輸入至計(jì)數(shù)器(enablegate)，如果PWM的脈寬為“m”個(gè)周期，假設(shè)在這段時(shí)間中計(jì)數(shù)器積累了“n”個(gè)采樣，那么密度則為n/m;如果PWM的脈寬為100個(gè)周期，就會(huì)得到1/100的分辨率，這個(gè)時(shí)間再擴(kuò)大10倍，則得到1110000的分辨率。觀測(cè)的周期數(shù)越大，分辨率也就越高。
機(jī)械開(kāi)關(guān)比較容易磨損，甚至磨壞產(chǎn)品外殼，導(dǎo)致缺口或裂口處侵入污染物。電容式傳感器就不會(huì)發(fā)生損壞產(chǎn)品外殼的情況，也不會(huì)出現(xiàn)缺口粘連物，更不會(huì)出現(xiàn)磨損。因此，采用這種技術(shù)的開(kāi)關(guān)器件是替代多種機(jī)械開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的理想選擇。
4.對(duì)開(kāi)關(guān)靈敏度的影響
光有一個(gè)觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)是不能使用的，除非系統(tǒng)能可靠測(cè)定開(kāi)關(guān)所處的狀態(tài)。使用機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣連接是沒(méi)問(wèn)題的，如果機(jī)械開(kāi)關(guān)能合理地連接，那么能正確地決定開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)。使用感應(yīng)觸摸開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)所處的狀態(tài)有時(shí)很難明顯界定。
電容感應(yīng)式觸摸開(kāi)關(guān)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)：當(dāng)使用者的手指在碰到觸摸開(kāi)關(guān)時(shí)，觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)端的電容還沒(méi)有充分地充電而手指已經(jīng)離開(kāi)了觸摸點(diǎn)，那這時(shí)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)處于何種狀態(tài)呢?因此當(dāng)手指碰觸時(shí)，為了增加檢測(cè)開(kāi)關(guān)的可靠性，使電容充電最佳化，下列幾項(xiàng)內(nèi)容對(duì)充電電容的性能參數(shù)影響較大。
(1)尺寸、形狀和在PCB上的開(kāi)關(guān)放置位置。
(2)連接在PCB和使用者手指之間的材料。
(3)連接到開(kāi)關(guān)與MCU之間連線參數(shù)。
上述這些條件，對(duì)觸摸式感應(yīng)開(kāi)關(guān)的靈敏度都有直接的影響，因此必須正確設(shè)計(jì)感應(yīng)開(kāi)關(guān)。
5.觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)的PCB圖形
為了獲得“開(kāi)關(guān)電容PCB圖形”,下圖給出了觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)的12種PCB設(shè)計(jì)圖形。這些感應(yīng)開(kāi)關(guān)具有不同的形狀與尺寸，我們將其排列成三列(A~C)、四行(1~4)，其中A列與C列的尺寸是20mmX20mm,B列的尺寸是15mmX15mm.
A列與B列具有不同的尺寸，但是走線和距離是相同的;B列與C列也具有不同的尺寸，但是它們的走線和間隔是按比例增加的。下表給出了不同尺寸與不同形狀的PCB圖形具有不同的感應(yīng)電容值。對(duì)于觸摸感應(yīng)式開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的開(kāi)關(guān)應(yīng)具有好的靈敏性和高的感應(yīng)電容值，因?yàn)檫@樣可將走線的寄生電容與電感的影響降到最低，對(duì)開(kāi)關(guān)的影響最小。
比較下圖與下表中數(shù)據(jù)可知，A列與C列的PCB圖尺寸相同，但電容量卻不同，這是因?yàn)樵贏列與C列的PCB圖形中，在相同的20mm×20mm外框包圍中其內(nèi)部的走線密度不同所致。比較A列與B列可知，其感應(yīng)電容量不同是由于其尺寸不同所致。
在設(shè)計(jì)觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)電容時(shí)需要考慮兩個(gè)主要因素，一個(gè)是開(kāi)關(guān)電容的尺寸，另一個(gè)是其形狀，當(dāng)然與觸摸開(kāi)關(guān)上面連接的材料特性與厚度也有關(guān)系。
6.不同材料的影響
在許多產(chǎn)品中，PCB上的開(kāi)關(guān)不能直接被使用者觸摸到。從美觀與對(duì)電路板的保護(hù)角度考慮，通常在PCB與使用者之間會(huì)隔著一層塑料或玻璃制品。
下表給出了在感應(yīng)開(kāi)關(guān)與使用手指之間采用不同材料、不同厚度對(duì)感應(yīng)電容影響的百分比。
從下表中可知，在PCB與用戶手指之間放置不同材料，對(duì)感應(yīng)電容影響效果是明顯的，因此在設(shè)計(jì)該類(lèi)產(chǎn)品時(shí)，我們可以按照下面的設(shè)計(jì)規(guī)則。
(1)開(kāi)關(guān)圖形的設(shè)計(jì)。無(wú)論在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)時(shí)，上圖中的第4行、第4列展示出最好的電容特性，不但圖形設(shè)計(jì)容易，而且開(kāi)關(guān)特性安全可靠。
(2)為了使PCB與手指間的感應(yīng)電容改變最小，需要使用最薄的材料。
(3)為了使觸摸開(kāi)關(guān)具有絕對(duì)的電容量，所使用的材料需要具有更高的介電常數(shù)。
相對(duì)于在開(kāi)關(guān)與其他電容之間的更高電容值，例如，走線或其他電容，在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)時(shí)，MCU能直接檢測(cè)到電容量的改變。
7.走線長(zhǎng)度
另外一個(gè)重要因素是連接在觸摸開(kāi)關(guān)與MCU之間走線的長(zhǎng)度對(duì)開(kāi)關(guān)的影響作用。
走線越長(zhǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)的寄生電容效用越明顯，過(guò)大的寄生電容會(huì)使開(kāi)關(guān)不能正常工作。如果寄生電容太大，當(dāng)手指與觸摸開(kāi)關(guān)接觸時(shí)，過(guò)大的寄生電容使MCU不能檢測(cè)到開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化。通常，根據(jù)不同的開(kāi)關(guān)圖形與所用的材料不同，觸摸開(kāi)關(guān)感應(yīng)電容一般控制在2~15pF之間是比較合理的。
在設(shè)計(jì)觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)比較安全的準(zhǔn)則是感應(yīng)電容量改變0.5%時(shí)，MCU能檢測(cè)到。必須仔細(xì)檢查觸摸開(kāi)關(guān)PCB圖形與走線，將感應(yīng)電容設(shè)計(jì)到最小，因此，當(dāng)手指碰觸時(shí)典型的電容改變量控制在總電容量的0.5%.
8.供電電壓VDD的影響
另一個(gè)設(shè)計(jì)考慮的因素是MCUVDD電壓源。VDD電壓的穩(wěn)定與否，與MCU的安全可靠檢測(cè)緊密相關(guān)。因?yàn)樵撾妷褐苯佑绊懥擞|摸感應(yīng)電容的充電與放電開(kāi)關(guān)特性，因此在觸摸感應(yīng)控制IC的VDD與Vss(地)之間必須設(shè)置旁路電容，同時(shí)前級(jí)最好用三端穩(wěn)壓器供電，供電電源走線必須短而粗，切忌設(shè)計(jì)成細(xì)而長(zhǎng)且繞圈子的形式。
9.觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)
基于上述2、3點(diǎn)測(cè)試與設(shè)計(jì)限制的結(jié)論，在設(shè)計(jì)觸摸感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)要考慮使用許多通用材料，例如玻璃、樹(shù)脂塑料和ABS塑料等，為了實(shí)現(xiàn)有效控制和能采用多種材料，我們選擇4C開(kāi)關(guān)電路圖形。即使電路開(kāi)關(guān)具有最低的靜態(tài)電容，它同樣具有足夠高的寄生電容和同樣好的開(kāi)關(guān)特性。下圖是最佳的開(kāi)關(guān)電路尺寸與圖形。
為了防止在每個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生的耦合，兩個(gè)相鄰開(kāi)關(guān)之間的距離至少要大于lOmm.如果距離小于10mm,那么檢測(cè)將可能發(fā)生問(wèn)題，但是更合理的設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)計(jì)算。
如果在開(kāi)關(guān)前面覆蓋一個(gè)面板，特別要考慮其穩(wěn)定性，在開(kāi)關(guān)與面板之間必須緊密接觸，不能有任何縫隙存在。因?yàn)榭p隙同樣能改變靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電容。
如果系統(tǒng)需要多個(gè)開(kāi)關(guān)，下圖給出了最佳的PCB設(shè)計(jì)方案。虛線為頂層走線，按鍵同樣設(shè)計(jì)在頂層，實(shí)線是底層走。
這種排列方式能減少走線之間的寄生電容量。
為了減少走線之間的寄生電容量，在PCB布板請(qǐng)按照以下方式：
(1)走線寬度不要超過(guò)0.3mm.
(2)避免信號(hào)線與地線平行。
(3)保持信號(hào)線之間的距離大于Imm.
(4)避免信號(hào)線穿越地平面。
(5)避免信號(hào)線接近高頻或高變化率的電路。
鍵盤(pán)布局圖
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