【技术专辑】电容式触摸传感简介

本文中,我们将详细(但不是太详细)看一下电气原理,这些电气原理允许我们仅使用电容器检测人手指的存在。

 

支持信息

 

•电场和电容

 

•影响电容的因素

 

电容器是敏感的

 

在过去十年左右的时间里,想象一个没有触敏电子产品的世界变得困难。智能手机是一个突出且无处不在的例子,但当然,有许多设备和系统都采用了触控功能。电阻和电容都可以用作实现触摸灵敏度的手段; 在本文中,我们将仅讨论电容式触摸传感,它已成为首选实现。

 

虽然基于电容式触摸传感的应用可能非常复杂,但这项技术的基本原理相当简单。实际上,如果您了解电容的性质以及决定特定电容器电容的因素,那么您就可以了解电容式触摸传感。

 

电容式触摸传感器分为两大类:互电容配置和自电容配置。前者,其中感测电容器由两个用作发射和接收电极的端子组成,对于触敏显示器是优选的。后者,其中感测电容器的一个端子接地,是一种简单的方法,适用于触敏按钮,滑块或轮子。本文介绍了自电容配置。

 

PCB电容器

 

电容器有多种形式。我们都习惯于看到含铅元件或表面贴装封装形式的电容,但实际上,您真正需要的是两根由绝缘材料(即电介质)隔开的导体。因此,使用结合到印刷电路板中的导电层来制造电容器是非常简单的。例如,请考虑用作触敏按钮的PCB电容的以下顶视图和侧视图表示(请注意,侧视图中省略了焊接掩模层)。

 

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触敏按钮和周围铜线之间的绝缘隔离产生电容器。在这种情况下,周围的铜连接到接地节点,因此,我们的触敏按钮可以被建模为触敏信号和地之间的电容器。

 

在这一点上,您可能想知道这种小PCB布置确实提供了多少电容。此外,我们如何准确地计算它。。。?要回答第一个问题,电容非常小,可能大约10 pF。至于第二个问题:如果你忘记了静电,不要担心,因为电容的确切值是无关紧要的。我们只关注电容的变化,我们可以在不知道PCB电容的标称值的情况下检测这些变化。

 

手指的效果

 

那么是什么原因导致触摸感应控制器会检测到这些电容变化?当然是人的手指。

 

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在我们讨论为什么手指改变电容之前,重要的是要理解这里没有直接传导; 手指通过PCB的焊接掩模与电容器绝缘,通常还通过一层塑料将设备的电子元件与外部环境隔开。因此,手指不会使电容器放电,此外,在特定时刻存储在电容器中的电荷量不是感兴趣的量 - 相反,感兴趣的量是特定时刻的电容。

 

那么,为什么手指的存在会改变电容?有两个原因:第一个涉及手指的介电特性,第二个涉及手指的导电特性。

 

手指作为电介质

 

我们通常认为电容器具有由两个导电板的面积,板之间的距离以及板之间的材料的介电常数确定的固定值。我们当然不能通过触摸来改变电容器的物理尺寸,但是我们可以改变介电常数,因为人的手指具有与其移位的材料(可能是空气)不同的介电特性。确实,手指不会位于实际的介电区域,这意味着导体之间直接存在绝缘空间,但这种“侵入”电容器本身并不是必需的:

 

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如该图所示,手指不需要位于板之间以影响介电特性,因为电容器的电场延伸到周围环境中。

 

事实证明,人体肌肉是一种很好的介电材料,因为我们的身体主要是水。真空的介电常数定义为1,空气的介电常数略高(海平面和室温下约1.0006)。水的介电常数高得多,大约为80.因此手指与电容器电场的相互作用表示介电常数的增加,因此电容增加。

 

手指作为指挥

 

任何经历过电击的人都知道人体皮肤是导电的。我在上面提到过,手指和触敏按钮之间的直接传导 - 即,手指放电PCB电容器的情况 - 不会发生。然而,这并不意味着手指的导电性是无关紧要的。它实际上非常相关,因为手指成为附加电容的第二导电板:

 

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出于实际目的,我们可以假设手指产生的这个新电容(我们称之为手指帽)与现有的PCB电容并联。这种情况有点复杂,因为使用触敏设备的人没有电连接到PCB的接地节点,因此在典型的电路分析意义上两个电容器不是“并联”的。

 

然而,我们可以将人体视为提供虚拟地面,因为它具有相对大的吸收电荷的能力。无论如何,我们不需要担心手指帽和PCB帽之间的确切电气关系; 重要的是,两个电容器的伪并联配置意味着手指将增加总电容,因为电容器并联。

 

因此,我们可以看到控制手指和电容式触摸传感器之间的相互作用的两种机制都有助于增加电容。

 

接近与接触

 

前面的讨论引出了电容式“触摸”感应的一个有趣特征:电容的可测量变化不仅可以通过手指和传感器之间的接触产生,还可以通过手指和传感器之间的接近产生。我通常认为触摸敏感设备可以替代机械开关或按钮,但电容式感应技术实际上通过允许系统确定传感器和手指之间的距离来引入新的功能层。

 

上述两种电容改变机制产生与距离成比例的效果。对于基于介电常数的机制,随着手指移动靠近PCB电容器的导电部分,与电容器电场相互作用的肉质电介质的量增加。对于基于电导率的机制,指帽的电容(与任何帽一样)与导电板之间的距离成反比。

 

但请记住,这不是测量传感器和手指之间绝对距离的方法; 电容式传感不提供执行精确绝对距离计算所需的数据。我认为可以校准电容式感应系统进行粗略距离测量,但由于电容感应电路设计用于检测电容的变化,因此该技术特别适用于检测距离变化,即手指时离传感器越来越近了。

 

结论

 

您现在应该有一个坚实的概念基础,可以构建一个飙升的电容式触摸感知专业大厦。我们将在下一篇文章中开始构建,通过查看将帮助您从理论转变为实践的实现技术。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计