家电电容式轻触感应按键原理以及设计方式
徐平
【摘 要】家电显示界面的设计日趋美观和多样,要保证其美观和多样,则离不开感应按键,本文介绍电容式感应按键的基本原理及特性的同时,也同步介绍了一些在设计过程中需要注意的事项. 【期刊名称】《电子测试》 【年(卷),期】2019(000)009 【总页数】3页(P30-31,138) 【关键词】触摸按键;信噪比;电容式 【作 者】徐平
【作者单位】厦门华联电子股份有限公司,福建厦门,361000 【正文语种】中 文 0 引言
电容式感应按键属于人机界面的输入设备，通过检测人体的电容来识别是否有按键动作需要输入。相对传统机械开关，其可以使家电产品显示界面设计的很漂亮，可适应绝大部分绝缘的界面覆盖材料（诸如玻璃面板、亚克力面板）且界面无需破孔，感应按键轻轻触摸即可识别，使用寿命长，甚至可以实现远距离的接近感应。 1 感应按键工作原理
典型的触摸按键传感器包括蚀刻在印刷线路板(PCB)表面上的铜盘（带有相应的形
状和大小），以及传感器铜盘与人手之间的介质（覆盖材料）。覆盖材料作为触摸按键的触摸表面使用。触摸电路将人体触摸对应触摸按键后引入的电容值转换成等效的数字计数值，然后通过相应的算法处理这些计数值，以检验按键是否有被触摸。 图1 感应按键工作原理
手指未接触触摸传感器板时，传感器得到的电容我们称之为寄生电容（CP），见图1。寄生电容是由触摸控制器电路内部寄生电容与耦合电场共同产生的，后者是在传感器板（如PCB）、传感线路走线、过孔以及系统中的其他导体（如覆地铜箔、其他线路信号走线、电气噪音、产品机壳或外壳中的任何金属）之间耦合产生的。
当手指接触触摸传感器板时，手指和传感器板通过它们之间的覆盖材料形成一个简单的平行板电容我们称之为手指电容（CF），见图 2。 图2 感应按键工作原理
手指电容可通过下面公式1计算得到： 其中：
ε0=空气介电常数
εr=覆盖材料的相对介电常数
A=手指与传感器板外覆盖材料的接触面积 d=覆盖材料的厚度
由于寄生电容（CP）和手指电容（CF）均可以代表传感器与地面之间的电容，因此，两者的性质相同。所以当手指触摸按键传感器后，传感器得到的总电容（CS）等于寄生电容（CP）和手指电容（CF）之和。见下面公式2
如果没有手指触摸，则CS=CP ，触摸电路将电容CS转换成相应的数字计数值，
我们称之为原始计数。当手指触摸时，会额外引入手指电容（CF）导致触摸传感器的总电容增加，因此，原始计数值的增量部分则表示有手指触摸。 在实际应用中，我们希望寄生电容（CP）越小越好。 2 感应按键实现方式
我们常规的触摸界面均与控制主板间有一定的距离，用来制作传感器板的形式具体见下面介绍。
（1）PCB：使用PCB来设计传感器板，该传感器板与控制主板连接方式一般通过PIN针连接或使用接插件连接。可适应多种按键形状或大小。主要应用于按键较多，按键间均有一定间距的场合。该方式需显示界面反射罩挖出一个与PCB传感器板大小深度相近的凹槽，PCB传感器板装配在凹槽内，以保证整个显示界面与触摸界面平整美观。
（2）滑条：滑条多适用PCB或ITO膜来进行制作，多个传感器根据手指滑动界面组合设计，多为以此手指连续滑动的。
（3）弹簧：每一按键对应位置放置一颗弹簧，弹簧底部与控制主板焊接在一起，顶端与覆盖材料可保证紧密接触，该种方式适用于按键较少的情况。
（4）导电海绵：导电海绵一般的安装方式是通过导电胶将导电海绵与控制主板粘贴在一起，作用同弹簧。但此方式由一个问题就是运输过程中容易脱落。同样该种方式适用于按键较少的情况。
（5）ITO导电膜：需要开模制作，作用同PCB，一般还需额外FPC端子与控制主板连接，优点是导电膜装配位置可以与控制主板距离相对较远。但缺点则是此方案为所有按键方式里面成本最高的，往往几倍于前面的按键成本。
（6）悬空按键：顾名思义，控制主板与覆盖材料之间存在一定距离的空气介质。手指碰触覆盖材料后，与传感器板中间是隔空的，根据公式1可知，此时的手指电容是非常低的。往往需要增大软件处理的分辨率，但同样的，噪声亦被放大。
3 设计注意事项
寄生电容（CP）与PCB 布局的特性很复杂。发生下面任何情况时，均会增加寄生电容（CP）。
传感器焊盘大小增加；走线长度和宽度增加；传感器焊盘和接地网格之间的间隙减少；传感器焊盘以及周边走线信号较多较杂。
我们在设计中应尽量减少传感器走线的长度和宽度，以降低寄生电容（CP）值。降低走线长度会增加抗噪能力。不推荐降低传感器焊盘的尺寸，因为这样也会降低手指电容（CF）。
由于电路中寄生电容（CP）会随着周边线路环境信号以及耦合电场的影响进行变化，则该原始计数也是在不断轻微波动的，我们称之为噪音。当手指触摸后，手指电容（CF）会使原始计数值增加，其增量部分我们称之为有效信号值。有效信号值：噪音值=信噪比，要得到良好的触摸性能，测有效信号值必须远远大于噪音值，推荐的信噪比最小值达到5:1。
上文说到过，悬空按键因为中间有间隔空气，所以一般即使灵敏度设置得很高，也会因手指触摸界面与传感器之间的距离增大而导致信噪比越低。实际测量手指触摸界面与传感器之间隔空5mm，噪音计数值为70，但有效信号值也仅有140左右，信噪比也才2:1左右，某些异常电气环境波动下，噪音很容易上升至有效信号区域，导致按键误动作。
如果使用PCB、弹簧等形式无疑会增加额外成本。而根据手指电容的公式，我们将ε0（空气介电常数）选择为其他介电常数稍高的材质，即可有效增大手指电容（CF）。常用的反射罩为PC或PPC等注塑材料其相对介电常数约为2.4-4左右，我们原本就必须使用的反射罩对应按键区域进行填充。太大的介电常数材料（诸如导电材料）会干扰电场，不建议使用。经过实际测量，同等灵敏度设置条件下可将信噪比提升至约6:1左右。这样就可以有效设置区间，区分噪音区域以及有效信号
值区域，从而大幅度提升触摸按键性能，且经实际对比，每个按键空隙填充所用的材料价格仅0.04元左右，价格远远低于其他的触摸方案。
可能的情况下，需要尽量并正确放置接地层，放置接地曾会降低RF辐射和干扰。但是接近传感器以及传感器走线的接地层同样会增大寄生电容（CP）。因此推荐传感器走线以及传感器周围以及其下方的PCB底层上使用网格接地层，并保持合理的间距。加大传感器焊盘和接地网格之间的间隙是降低寄生电容（CP）值的另一种方法。然而，加大间隙同时也会降低抗噪能力。有些触摸芯片需有外部的阻容件来稳定内部参考电平，且一般是另一端接地，这些元件的接地走线或接地层需额外注意，要确保该接地走线或接地层尽量处于纯净状态。经常大家放置旁路退耦电容时没有注意，将该退耦电容的地直接连接在该净地点，导致该电容连接的大电流或高频信号干扰触控芯片内部参考电平，引入额外噪声。同时PCB顶层和底层两面的网格接地层要连接时放置过孔，亦要注意确认最短电流路径，而不能盲目放置，盲目放置过孔可能会导致一处吸收到的干扰经过过孔流经传感器及其走线周边网格接地层，同样会引入其他噪声。
验证成品设计时，应使用最终成品的覆盖材料进行调试，同时应分别测量使用环境中的噪音值，以及手指触摸后的有效信号值，确保设计拥有良好的信噪比。建议使用铜棒代替人手指进行调试，以免不同的人设计出来的产品没有良好的一致性。在产品批量生产测试过程中也应尽量使用铜棒进行功能测试，以免PCB或其他相关材质厂家工艺波动导致不良品被放出。同时验证阶段需通过实验手段诸如EFT（电快速瞬变脉冲群）、CS（传导抗扰度），RS（辐射抗扰度）等进行最终按键效果确认，在试验中亦应不时的触摸按键，以便确认按键功能正常，试验过程中应确保感应按键功能不会误触发，不会无响应。 4 总结
电容式感应按键方案目前已成熟应用于各个家电环境中。我们需要在掌握其基本原
理的同时，还应该掌握其设计过程中的各种注意事项，以此来保证我们产品设计的合理性。根据不同的设计方案选择不同的触摸按键实现方式，可以有效提升界面美观度，降低设计成本，并保证良好的可靠性。 参考文献
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