一種電容式觸摸控制方法研究與設(shè)計

滕莉 龐曉東

【摘要】描述了一種電容式觸摸控制按鍵技術(shù)的方法研究，簡要介紹了電容式觸摸感應(yīng)原理，并以理論為基礎(chǔ)設(shè)計了一種觸摸按鍵。對電容式觸摸感測總體設(shè)計方案做了介紹，詳細(xì)論述了觸摸按鍵電路設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計原則，以實驗測試結(jié)果證明了方案的可行性，同時結(jié)合研發(fā)中遇到的問題給出了解決方案。

【關(guān)鍵詞】觸摸控制;電容式;靈敏度;隔離保護(hù)介質(zhì)

A method research and design of the capacitive touch control

TENG Li，PANG Xiao-dong

（The First Research institute of the Ministry of Public Security，Beijing 102200）

Abstract：The paper describes a method research of the capacitive touch control，introduces the principle of capacitive touch sensing briefly and designs a touch button basing on the principle.In addition，the overall design of capacitive touch sensing is presented，the key technologies and design rules about the circuit and structure are described in detail.Experimental result shows that this design is feasible.The solution for the problems in the process of research is also presented.

Key words：touch control;capacitive;sensitivity;isolation protective mediums

觸摸控制作為高端的電子控制方式，已在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如觸摸顯示屏、觸摸路燈開關(guān)、儀器儀表控制面板等。對使用者來說，觸摸控制器具有美觀、操作方便、易清潔的優(yōu)點，又因為采用非接觸式按鍵技術(shù)，理論上使用壽命可以無限長，不像普通按鍵只有幾十萬次的機(jī)械壽命，并且可靠性不會隨時間增加而降低[1]。根據(jù)不同的工作原理，觸摸控制可分成以下幾類：電波式（如表面聲波）、電阻式、光學(xué)式（如紅外線）、電容式、電感式、電磁式等。每一類都有其各自的優(yōu)缺點和適用場合[2]。其中，電容式觸摸按鍵技術(shù)已經(jīng)成為觸摸感應(yīng)技術(shù)的主流，適用范圍更為廣泛。電容式觸控感應(yīng)技術(shù)以其無機(jī)械損耗、壽命長、靈敏度高、節(jié)省空間和觸摸動作豐富等優(yōu)點得到越來越廣泛的應(yīng)用，與此同時，半導(dǎo)體廠商也不斷地推出相應(yīng)技術(shù)的IC以簡化硬件設(shè)計人員的開發(fā)。本文所設(shè)計的觸摸按鍵就是基于Atmel QTouch技術(shù)實現(xiàn)的。

1.電容式觸摸感應(yīng)原理

電容式觸摸是利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作的。它將人作為假想的接地物（零電勢體），感應(yīng)電極與地構(gòu)成一個感應(yīng)電容，在周圍環(huán)境不變的情況下電容值固定為微小值Cp，具有固定的充放電時間;當(dāng)觸摸隔離保護(hù)介質(zhì)（面板）時，由于人體電場，人的手指（隔著隔離保護(hù)介質(zhì)）和感應(yīng)電極形成一個耦合電容Cf，這樣就會改變固有的充放電時間。通過測量充放電時間的改變即可檢測是否有按鍵被按下[3]。根據(jù)電容定義：

（1）

式中ε0為真空介電常數(shù)，εr為隔離保護(hù)介質(zhì)的介電常數(shù)，A為按鍵區(qū)域面積，一般為直徑小于10mm的圓形，T為隔離保護(hù)介質(zhì)的厚度，通常為幾個mm，由公式（1）可以計算得到pF級的Cf值。

世界知名電子元器件供應(yīng)商推出了眾多的專業(yè)芯片，在本設(shè)計中選用Atmel公司基于QTouch技術(shù)的控制芯片。Atmel QTouch的電容感應(yīng)工作是基于電荷-傳輸（charge-transfer）原理，它通過開關(guān)電容的方式來判斷在觸摸過程中感應(yīng)電極的電容變化，可以實現(xiàn)一個能夠測量電容量毫皮法級（千分之一pF）變化的高分辨率的測量系統(tǒng)[4]，因此Atmel QTouch控制器完全能夠精確測量pF級的耦合電容Cf。QTouch IC和簡單按鍵電極之間單連接來檢測觸摸，器件對未知電容的感測電極充電到已知電位。電極通常是印刷電路板上的一塊銅區(qū)域。在1個或多個電荷-傳輸周期后測量電荷，就可以確定感測板的電容[5]。

2.設(shè)計方案及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體設(shè)計

觸摸按鍵由感測部分（PCB板）、隔離保護(hù)介質(zhì)（絕緣層）和光線擴(kuò)散介質(zhì)組成，如圖1所示。

圖1 觸摸按鍵結(jié)構(gòu)示意圖

感測部分的核心是ATMEL的QProx QT113A控制器。ATMEL QTouch控制器允許自耦電容型和互耦電容型兩類感應(yīng)器，本方案采用自耦電容型感應(yīng)器。感應(yīng)器從感應(yīng)方向分類又可以分為3種：無方向感應(yīng)器、單方向感應(yīng)器和雙方向感應(yīng)器。本文設(shè)計的開關(guān)按鍵只感應(yīng)一個點的動作，屬于無方向類型。當(dāng)討論一個感應(yīng)器設(shè)計的時候，用戶需要在感應(yīng)類型和方向分類所構(gòu)成的6種可能中進(jìn)行合理組合[4]。本觸摸控制根據(jù)上述確定的感應(yīng)器類型故選用QProx QT113A芯片作為控制器。

隔離保護(hù)介質(zhì)即面板，通常選用玻璃、有機(jī)玻璃（PMMA）、聚丙烯樹脂等。由公式（1）可以明確得到，更薄的隔離保護(hù)介質(zhì)和高介電常數(shù)的介質(zhì)可以提高電容及響應(yīng)的充電電荷保有量，從而帶來更高的增益和更好的信噪比。設(shè)計人員可以根據(jù)實際情況及外觀要求選擇介質(zhì)。本方案選用4mm厚的有機(jī)玻璃，將有機(jī)玻璃背面鏤空噴漆，形成功能圖標(biāo)，圖標(biāo)均有背景燈光透過，這樣可使功能按鍵更顯著。

隔離保護(hù)介質(zhì)與電路板之間采用ABS板作為光線擴(kuò)散介質(zhì)，實現(xiàn)對圖標(biāo)的背景燈光擴(kuò)散。如果將隔離保護(hù)介質(zhì)與電路板直接裝配，則背景燈光不能完全覆蓋整個圖標(biāo)，從外觀上看是一個光斑，這是因為點光源所發(fā)出光線沒有轉(zhuǎn)變成面光源。故采用在隔離保護(hù)介質(zhì)與電路板間加ABS板，來達(dá)到將點光源轉(zhuǎn)變?yōu)槊婀庠吹哪康?，去除光斑，使得外觀更加美化，同時還能降低光源亮度，減少刺眼程度。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

觸摸式按鍵設(shè)計在電路板上元器件位置、布線，以及結(jié)構(gòu)、選材等方面都十分考究，在任一方面設(shè)計的偏差都會影響其靈敏度，以下對設(shè)計過程中需要注意的幾項原則進(jìn)行詳細(xì)論述。

2.2.1 PCB設(shè)計與布局

觸摸控制IC外圍元器件布局和走線設(shè)計十分關(guān)鍵。所有無源元件在物理空間條件允許的條件下應(yīng)盡可能靠近控制芯片。如果觸摸控制IC及其它無源器件置于頂層，則在底層設(shè)計感應(yīng)電極，并應(yīng)盡可能多的將傳感信號線布置到頂層，底層可用來布設(shè)普通信號線。由圖2可以看到本方案電路板布有感應(yīng)電極的一側(cè)沒有其他元器件。需要特別注意，應(yīng)該保證控制IC對應(yīng)的底層沒有布設(shè)任何感應(yīng)電極，同樣，一個通道的信號線對應(yīng)的底層也不能布設(shè)其他傳感通道的感應(yīng)電極 [6]。圖3是電路板頂層設(shè)計，圓形虛線代表感應(yīng)電極在底層的位置，矩形實線代表控制IC在頂層的位置，按照上述原則控制芯片與電極不同層且位置錯開。此外，自耦類型的感應(yīng)器到控制器的連線在不影響RC時間常數(shù)的前提下應(yīng)該越細(xì)越好，該連線應(yīng)小于150mm，連線也是對觸摸敏感的，它就是感應(yīng)器的一部分，更長的連線會引入噪聲并降低感應(yīng)靈敏度[4]。電容式觸摸IC外圍電路的設(shè)計還要求電子元器件與芯片間的走線遠(yuǎn)離電源和地線，以及鋪銅部分，如電極。

圖2 感應(yīng)電極設(shè)計

感應(yīng)電極的設(shè)計是決定觸摸控制靈敏度的重要因素之一。電極的形狀和大小應(yīng)緊密配合被感應(yīng)物體的大小。按照電極最外邊緣應(yīng)大出觸摸邊緣2-3mm的設(shè)計原則，以手指觸碰為例，建議設(shè)計電極大小為8到10mm的方塊或圓片。增大感應(yīng)電極建議不要超過15×15mm2，因為過大的電極不但會降低靈敏度，而且會增加對噪聲的易感性[6]。電極形狀可設(shè)計成各種幾何形狀，例如方形、圓形、三角形，以便具有不同功能和應(yīng)用。本觸摸按鍵感應(yīng)電極設(shè)計如圖2所示。

圖3 控制芯片與感應(yīng)電極位置設(shè)計

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

觸摸按鍵的面板必須選用絕緣材料，如上述所列，按鍵正上方1mm以內(nèi)不能有金屬，50mm以內(nèi)的金屬必須接地，否則會影響到靈敏度。在生產(chǎn)過程中，要保持面板的材質(zhì)和厚度不變，面板的表面噴涂必須使用絕緣的涂料[7]。

當(dāng)采用如本設(shè)計一樣將三種（FR4板、ABS板和有機(jī)玻璃板）甚至更多種材質(zhì)疊放在一起時，要確保相鄰兩層之間無縫隙，否則將容易導(dǎo)致內(nèi)部空間的濕度變化或空氣介質(zhì)發(fā)生變化，造成漂移，進(jìn)而影響按鍵的靈敏度和可靠性。如果所應(yīng)用的環(huán)境惡劣建議使用透明膠將各層壓緊。此外，各個結(jié)構(gòu)件間良好的結(jié)合也是保證靈敏度的重要因素。如果觸摸時，電極、ABS板、有機(jī)玻璃板間有相對滑動，即使是100微米很小的移動，也會帶來靈敏度不穩(wěn)定。發(fā)生位移后需要再次上電進(jìn)行校準(zhǔn)?？赏ㄟ^超聲波焊接、粘合劑、螺絲釘緊固等方法將其固定。

觸摸式按鍵背光照明設(shè)計，通常在按鍵的中間挖空，使PCB上的LED能照射到面板上鏤空的圖標(biāo)或字符。圖2電極設(shè)計中可以看到中央位置處的LED。注意小孔要盡量小，孔越大損失的敏感度就越多。最大孔徑可依據(jù)按鍵直徑來設(shè)計，如表1所列。

表1 照明LED安裝孔徑尺寸

面板的外觀設(shè)計需要注意的是，進(jìn)行噴涂修飾時，要事先了解這種裝飾原料的導(dǎo)電性能，否則即便是外觀設(shè)計也會對按鍵性能產(chǎn)生影響。作者選擇了兩種物質(zhì)做了實驗對比。一種是采用在有機(jī)玻璃材料背面進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，介質(zhì)是油墨，雖然遮光效果佳，但靈敏度急劇下降，甚至為零，這與油墨中含有金屬離子，從而具有金屬屬性有關(guān)，所以油墨會嚴(yán)重影響觸摸按鍵的靈敏度，對于本設(shè)計不宜采用。另一種選用噴黑漆作為底色，不僅遮光效果好，靈敏度也比較理想。實驗結(jié)果表明，采用不同噴涂材料對靈敏度影響極大，原因是不合理的介質(zhì)會導(dǎo)致電場傳導(dǎo)的連續(xù)性被破壞。本設(shè)計中承載感應(yīng)電極的基材電路板FR4，其介電常數(shù)為4.2，作為隔離保護(hù)介質(zhì)的有機(jī)玻璃其介電常數(shù)為4，油漆的介電常數(shù)為3.5，ABS板的介電常數(shù)為3.04，因此電場就具有較好的連續(xù)性。

3.測試實驗

在設(shè)計之初由于缺乏對介質(zhì)導(dǎo)電性能的了解，使用了油墨對外觀進(jìn)行噴涂裝飾，破壞了組成觸摸按鍵結(jié)構(gòu)的各個部件間電場的連續(xù)性，導(dǎo)致無輸出，經(jīng)過調(diào)整所選材料，使用黑漆噴涂，測試輸出正常。對于靈敏度的調(diào)節(jié)一方面可以從控制芯片的GAIN引腳的輸入電平調(diào)整，若靈敏度過高可從高電平轉(zhuǎn)為低電平，這種調(diào)整可以明顯改變靈敏度;另外一方面可以從調(diào)節(jié)收集電容Cs和Cx的值來微調(diào)靈敏度，Cs值越大Cx值越小則靈敏度越高，但注意Cs在10nF～500nF，Cx在0～100pF[8]，若超出這個范圍則無輸出。對觸摸按鍵單板測試無誤后，放于某儀器設(shè)備上用于控制照明開關(guān)，經(jīng)過一段時間的觀察發(fā)現(xiàn)有時會出現(xiàn)上電瞬間燈閃一下的現(xiàn)象，捕捉到的圖形如圖4，觸摸按鍵受到干擾時間約為200ms。在應(yīng)用環(huán)境中干擾無處不在，有來自儀器內(nèi)部的也有環(huán)境中存在的，對于已經(jīng)設(shè)計完成的觸摸式按鍵電路板，可以通過磁環(huán)有效地屏蔽一部分干擾。本應(yīng)用選用TDK的ZCAT 2132-1130磁環(huán)固定在數(shù)據(jù)線纜上問題得到解決。

圖4 觸摸控制受干擾波形圖

4.結(jié)論

基于Atmel QTouch技術(shù)設(shè)計的一種觸摸開關(guān)控制方案，電路與結(jié)構(gòu)上依據(jù)設(shè)計過程中的原則和規(guī)范，經(jīng)過實驗證明可以有效地實現(xiàn)開關(guān)控制，能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)靈敏度以適應(yīng)不同應(yīng)用的需求。觸摸式控制設(shè)計重點在于電路元器件、走線和電極的布局，以及結(jié)構(gòu)件的選材，要了解每個部件的電性能，只有做好每個細(xì)節(jié)，組裝后的觸摸按鍵才能在靈敏度和抗干擾上得到理想的效果。

參考文獻(xiàn)

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[8]Datasheet-QPro QT113/113A CHARGE-TRANSFER TOUCH SENSOR.okDatasheet.com 2001.

作者簡介：

滕莉（1981—），女，工程師，主要研究方向：測控技術(shù)。

龐曉東（1973—），男，副研究院，主要研究方向：嵌入式硬件開發(fā)。