電容式感應(yīng)觸摸開關(guān)
觸摸開關(guān)按開關(guān)原理分類有電阻式觸摸開關(guān)和電容式觸摸開關(guān)，在多種技術(shù)中，電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)成為觸摸感應(yīng)技術(shù)的主流，在按鍵方案上，能為產(chǎn)品帶來整體的外觀檔次提升。
電容式感應(yīng)觸摸開關(guān)可以穿透絕緣材料外殼 20mm （玻璃、塑料等）以上， 準(zhǔn)確無誤地偵測到手指的有效觸摸，保證了產(chǎn)品的靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性等不會(huì)因環(huán)境條件的改變或長期使用而發(fā)生變化，并具有防水和強(qiáng)抗干擾能力。
電容感應(yīng)式觸摸開關(guān)，需要穩(wěn)定的單火線電源處理以及穩(wěn)定可靠的觸摸感應(yīng)芯片，做到防誤觸發(fā)、防各種電磁干擾、負(fù)載干擾、環(huán)境干擾、甚至需要防水防塵功能等智能觸摸開關(guān)功能要求。
電容式傳感的基本原理
觸摸開關(guān)按開關(guān)原理分類有電阻式觸摸開關(guān)和電容式觸摸開關(guān)，在多種技術(shù)中，電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)成為觸摸感應(yīng)技術(shù)的主流，在按鍵方案上，能為產(chǎn)品帶來整體的外觀檔次提升。
電容式感應(yīng)觸摸開關(guān)可以穿透絕緣材料外殼 20mm （玻璃、塑料等）以上， 準(zhǔn)確無誤地偵測到手指的有效觸摸，保證了產(chǎn)品的靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性等不會(huì)因環(huán)境條件的改變或長期使用而發(fā)生變化，并具有防水和強(qiáng)抗干擾能力。
電容傳感技術(shù)為開發(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)來看，在各種不同的工作條件下，開關(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)式觸摸開關(guān)PCB觸點(diǎn)圖形時(shí)，各種不同的排板設(shè)計(jì)對(duì)開關(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)的控制器如何通過提供更多功能為客戶帶來增值服務(wù)和降低維護(hù)成本。
機(jī)械開關(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)的開關(guān)器件是替代多種機(jī)械開關(guān)產(chǎn)品的理想選擇。
如下圖所示，電容式開關(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；移開手指，電容量則會(huì)降低，通過測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)建電容式開關(guān)的要素包括：電容器、電容測量電路系統(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。通常來說，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)制器是一種用于測量電容的高效、簡單的電路，下圖給出了典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相位開關(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。
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開關(guān)頻率（fc）成正比
放電電流
放電電流通過電阻實(shí)現(xiàn)。在比較器高電壓時(shí)，會(huì)啟動(dòng)開關(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?？蓪⒈容^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），只需測量密度就能計(jì)算出傳感器的電容?？墒箙⒖茧妷号c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。觀測的周期數(shù)越大，分辨率也就越高。
觸摸傳感電容開關(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。
對(duì)開關(guān)靈敏度的影響
光有一個(gè)觸摸感應(yīng)開關(guān)是不能使用的，除非系統(tǒng)能可靠測定開關(guān)所處的狀態(tài)。使用機(jī)械開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電氣連接是沒問題的，如果機(jī)械開關(guān)能合理地連接，那么能正確地決定開或關(guān)的狀態(tài)。使用感應(yīng)觸摸開關(guān)時(shí)，開關(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關(guān)時(shí)，觸摸感應(yīng)開關(guān)端的電容還沒有充分地充電而手指已經(jīng)離開了觸摸點(diǎn)，那這時(shí)開關(guān)的狀態(tài)處于何種狀態(tài)呢？因此當(dāng)手指碰觸時(shí)，為了增加檢測開關(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)開關(guān)。