電容式觸控技術(shù)入門及實例解析

從工業(yè)、汽車、醫(yī)療設(shè)備到智能手機(jī)與平板電腦等日常消費(fèi)性電子產(chǎn)品應(yīng)用等各種技術(shù)，都能找得到電容式傳感技術(shù)的蹤跡。這項技術(shù)能夠快速普及的主要原因，在于它能輕易地提升設(shè)備的使用者體驗，讓制造業(yè)者由傳統(tǒng)開關(guān)轉(zhuǎn)向更具吸引力的觸控功能。

電容傳感技術(shù)還有助于減少設(shè)備的機(jī)械元件數(shù)量，從而延長設(shè)備的使用壽命和縮小尺寸。這些特性的組合只要設(shè)計、校準(zhǔn)和控制得當(dāng)，就能讓具有電容式傳感功能的產(chǎn)品吸引力倍增。

電容傳感技術(shù)也廣泛用于觸控按鍵和滑桿功能，特別是在消費(fèi)性、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中非常普及，但最常見的目標(biāo)應(yīng)用還是觸控板和觸控屏幕。要設(shè)計出兼具低成本、反應(yīng)靈敏以及節(jié)能的傳感器，而且在多雜訊環(huán)境中能穩(wěn)定工作，已是當(dāng)今市場中的常規(guī)要求，然而對大多數(shù)工程師來說的確頗具挑戰(zhàn)性。

這些挑戰(zhàn)對于未來幾年內(nèi)將快速進(jìn)展的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和可穿戴技術(shù)尤其明顯，消費(fèi)者的期望是，這些設(shè)備就算無法提供比現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更好的使用體驗，至少也要保持同樣水準(zhǔn)。許多方法和設(shè)計在理想使用情境中的差異極大，因此工程師需要好好考量哪種電容傳感方法對其應(yīng)用來說最好。

觸控板

針對使用者接口，最基本的觸控傳感應(yīng)用就是大家耳熟能詳?shù)耐渡涫诫娙萦|控技術(shù)（Projected Capacitive Touch；PCT）觸控板。這些設(shè)計是由玻璃板之間導(dǎo)電材料層的行列矩陣所構(gòu)成。在這個網(wǎng)格施加電壓就會產(chǎn)生一個電場，該電場可在每個交叉點(diǎn)測得。當(dāng)某個導(dǎo)電物體，例如人類手指接近和接觸PCT面板時，就會改變接觸點(diǎn)的電場，同時產(chǎn)生了電容差。

工程師可以采用兩種方式實現(xiàn)PCT技術(shù)：自電容（self-capacitance）觸控板與互電容（mutual capacitance）觸控板。

自電容設(shè)計是在印刷電路板（PCB）上，由接地銅箔（ground pattern）圍繞。PCB上的每個傳感器會與周圍的接地銅箔以及傳感器頂部的電場線路形成寄生電容。當(dāng)手指靠近時會導(dǎo)入額外的電容，導(dǎo)致電場扭曲。這種設(shè)計的主要缺點(diǎn)在于一次只能檢測到一次觸控，因此，它雖然是頗具經(jīng)濟(jì)效益的模型，但只適用于屏幕后方空間有限的設(shè)備。

然而，互電容傳感方法（mutual capacitance sensing；指任兩個具有電荷的物體之間存在的電容）能實現(xiàn)多點(diǎn)觸控檢測，非常適合配備大型顯示器的復(fù)雜設(shè)備設(shè)計。當(dāng)手指觸控的時候，兩物體之間的互電容會減少，觸控控制器由于檢測到這個改變而識別到手指的存在。最重要的是，每個交叉點(diǎn)都各有獨(dú)特的互電容，可以獨(dú)立追蹤。

對于互電容觸控板來說，手指的存在會導(dǎo)致電容減小。相反地，在自電容觸控板，手指施加的額外電容會增加傳感器所測量到的整體電容。

觸控屏幕

多個電容式觸控板可組合形成觸控屏幕或觸控面板，用于檢測單片玻璃板上一個或多個手指的位置。這項技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦以及高端可穿戴設(shè)備等空間有限的設(shè)備，并可區(qū)分為PCB、電容式和單層氧化銦錫（Indium Tin Oxide；ITO）觸控面板等三大類應(yīng)用。

PCB觸控面板：低成本、低功耗，但制造難度高

PCB觸控面板基本上是放置在顯示器附近的兩個或多個PCB自電容觸控板。對于沒有空間限制的原型建構(gòu)和商業(yè)設(shè)備，由于可以采用普及的低成本標(biāo)準(zhǔn)PCB工藝，因此是理想選擇。在設(shè)計PCB觸控面板的觸控按鈕時，尺寸通常是考慮的關(guān)鍵參數(shù)。然而形狀和按鈕間距（pad pitch，按鈕之間的距離）也應(yīng)納入考量，以便將錯誤檢測降到最低。

電容式觸控面板：較靈活，但使用案例少

電容式觸控面板具有兩層垂直堆疊的高導(dǎo)電材料——ITO導(dǎo)電層，一層用于列，一列用于行。該設(shè)計的關(guān)鍵特點(diǎn)在于每個交叉點(diǎn)都有自己的獨(dú)特互電容，可由觸控控制器獨(dú)立追蹤。

電容式觸控面板由于能提供多點(diǎn)觸控，且易于配置支持兩個或更多觸控板，非常適合許多應(yīng)用。此外，其超薄的模組設(shè)計更是較大屏幕尺寸應(yīng)用的理想選擇。

不過這些設(shè)計也不是毫無缺點(diǎn)——導(dǎo)電層所需的兩層ITO非常昂貴。再者，電容式觸控面板的功耗也非常高，控制器的高睡眠電流導(dǎo)致高耗電需求，不適合用于追求精簡的可穿戴產(chǎn)品。

單層ITO觸控面板：低成本、低功耗且易于建構(gòu)

單層ITO觸控面板方法是以較低的成本提供電容式觸控面板的多項優(yōu)點(diǎn)。主要不同之處在于觸控板的數(shù)量采預(yù)先定義，因而無法像電容式觸控面板般靈活地變化。預(yù)定義的特質(zhì)極有益于尺寸大小和控制器運(yùn)算資源的安排。從制造的角度來看，這個方法與電容式觸控面板極為相似，不過電容式觸控面板只使用單一ITO層。

在確定最適合自己應(yīng)用的模式之前，工程師需要權(quán)衡所有設(shè)計優(yōu)缺點(diǎn)。整體而言，電容式觸控解決方案能夠以簡單的方式滿足大部分設(shè)備的設(shè)計和功能需求，但要決定哪一種方案對特定使用案例來說最聰明、最安全時，諸如尺寸與功耗等其他因素也是重要關(guān)鍵。