面向手持移動(dòng)設(shè)備的觸摸傳感技術(shù)解析

智能手機(jī)等新型消費(fèi)電子產(chǎn)品使得觸摸屏開始風(fēng)靡，觸摸傳感器提供方便的控制方式，幾乎可用于控制任何類型的設(shè)備。

觸摸傳感控制器目前提供一些通用的性能選項(xiàng)和形態(tài)，如滑塊和鄰近傳感器。觸摸傳感器技術(shù)的進(jìn)步使傳感器驅(qū)動(dòng)型接口更易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)終端用戶更為直觀和簡(jiǎn)單。

大多數(shù)觸摸傳感控制器依據(jù)所檢測(cè)到的電容變化來工作(見圖1)——當(dāng)某種物體或某個(gè)人接近或觸摸傳感器的導(dǎo)電金屬片時(shí)，手指與金屬片之間的電容發(fā)生變化。導(dǎo)電物體(如手指)在傳感器附近移動(dòng)將改變電容傳感器的電場(chǎng)線并使電容發(fā)生變化?？刂齐娐房蓽y(cè)出電容的變化。

工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)從多年前開始就使用這種電容檢測(cè)技術(shù)來測(cè)量液位、濕度和材料成份。這種從這些應(yīng)用發(fā)展而來的技術(shù)逐漸演化成人機(jī)接口。

觸摸傳感器接口通常通過測(cè)量與傳感器墊片相連的電路的阻抗來檢測(cè)電容變化。觸摸控制器周期性地測(cè)量傳感器輸入通道的阻抗并用這些值來導(dǎo)出一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)，即校準(zhǔn)阻抗。控制器以這個(gè)阻抗值為基礎(chǔ)判定是否發(fā)生了觸摸事件。

下面的簡(jiǎn)化公式表明了手指逼近對(duì)觸摸墊片電容產(chǎn)生的主要影響。這個(gè)公式可用于確定傳感器墊片的電容和強(qiáng)度。

* C表示電容，單位為法拉

* A是單個(gè)金屬墊片的面積，單位為平方米

* εr是金屬墊片間材料的相對(duì)靜態(tài)介電常數(shù)(真空=1)

* ε0是自由空間的介電常數(shù)=8.854×10(SUP/)-12(/SUP)F/m

* D是板之間的距離或間隔，單位為米。

另外，觸摸強(qiáng)度隨壓力、觸摸面積或電容的增加而增大。D減小等價(jià)于電容增大或觸摸強(qiáng)度增大。

這個(gè)方程表明，覆膜厚度及其介電常數(shù)對(duì)觸摸強(qiáng)度影響很大。該方程還表明，電容傳感器本質(zhì)上對(duì)周圍環(huán)境和觸摸激勵(lì)的特性敏感——不管觸摸來自手指、乙烯基、橡膠、棉花、皮革或水(見圖1)。

圖1：觸摸靈敏度依賴于覆膜材料、墊片尺寸和厚度。

表1列出了各種常用覆膜材料的介電常數(shù)。我們可以基于這些值來考察觸摸傳感器在廚房中的應(yīng)用，因?yàn)樵趶N房中這些傳感器很容易濺上食用油。

表1：介電常數(shù)。

典型的食用油如橄欖油或杏仁油的介電常數(shù)在2.8-3.0之間。石蠟在華氏68度時(shí)的介電常數(shù)在2.2-4.7之間。這些材料的介電常數(shù)接近甚至小于傳感器常用覆膜聚碳酸脂(2.9-3.2)或ABS材料(2.87-3.0)的介電常數(shù)。因而，油對(duì)傳感器的操作沒有多大影響。

相反，甘油的介電常數(shù)在47-68之間，水的介電常數(shù)約為80。盡管這些材料的介電常數(shù)比覆膜材料高，對(duì)于使用數(shù)字觸摸檢測(cè)技術(shù)(如ATLab公司開發(fā)并擁有產(chǎn)權(quán)的FMA1127觸摸傳感器控制器所使用的技術(shù))的觸摸傳感器來說，由于傳感器墊片和濺上的液體都沒有接地，濺上這些液體不會(huì)引起任何異常行為。

盡管觸摸傳感器的操作細(xì)節(jié)和接口依賴于具體的應(yīng)用，一般來說，容性傳感器接口電路和檢測(cè)方法有模擬和數(shù)字兩種類型。一種模擬技術(shù)是測(cè)量頻率或工作周期，這些量因?yàn)樵谑种负偷刂g引入額外的電容而發(fā)生變化(見圖2)。

圖2： 模擬觸摸方案;由于需使用參考地，可能會(huì)受到水滴的影響。

利用這種技術(shù)和高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可以把測(cè)到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。得益于混合信號(hào)技術(shù)的進(jìn)步，最新款的電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換器把高性能模擬前端與低功率高性能ADC集成在一起。

模擬接口電路的一個(gè)缺點(diǎn)是容性傳感器可能會(huì)受到難以捉摸的噪聲、串?dāng)_、耦合的影響。另外，傳感器輸出的動(dòng)態(tài)范圍受到電源電壓的限制，而隨著半導(dǎo)體制造技工藝節(jié)點(diǎn)的縮小該電源電壓在不斷降低。

如果使用深亞微米CMOS技術(shù)把傳感器電路與復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理模塊集成到相同的基底上，情況會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。為避免外部干擾，該器件可能會(huì)要求使用軟件工作區(qū)，這增加了與之接口的微控制器的存儲(chǔ)器開銷和性能開銷。

全數(shù)字傳感方法(見圖3)可避免與模擬方法有關(guān)的問題。數(shù)字方法通過使電容成為RC延時(shí)線的一部分來檢測(cè)傳感器電容的變化。

圖3：數(shù)字觸摸方案;在存在水滴時(shí)仍具有魯棒的性能。

圖3中簡(jiǎn)單的全數(shù)字型時(shí)間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)測(cè)量該延時(shí)線相對(duì)于基準(zhǔn)RC延時(shí)線的差并輸出阻抗的變化。寄生電容對(duì)RC延時(shí)的影響可通過加電補(bǔ)償來消除。

手指碰到傳感器墊片使電容增大進(jìn)而提高了RC延時(shí)時(shí)間并導(dǎo)致阻抗變化。把這個(gè)阻抗與校準(zhǔn)阻抗對(duì)比可確定是否發(fā)生了觸摸事件。該傳感方案很容易通過調(diào)整RC延時(shí)線的電阻來改善性能。

MCU接口

不管使用模擬方法還是數(shù)字方法，觸摸傳感器控制器都可以使用簡(jiǎn)單的SPI或I(SUP/)2(/SUP)C接口與微控制器相連。MCU(主)通常以主從模式與觸摸傳感器控制器(從)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

如果MCU沒有這樣的串行接口，可以使用軟件模擬串行接口的方法，但這種方法增加了存儲(chǔ)器和性能的開銷。把觸摸傳感器控制器與微控制器集成在一起的芯片已在不久前上市。

消費(fèi)電子、家庭自動(dòng)化和工業(yè)要求

相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械按鈕、滑塊、轉(zhuǎn)輪和開關(guān)，觸摸傳感器控制提供了靈活、可靠且高性價(jià)比的替代方案。

最新的觸摸傳感器為設(shè)計(jì)者發(fā)揮其創(chuàng)造性創(chuàng)造了條件，設(shè)計(jì)者在開發(fā)接口時(shí)可隱藏或露出按鈕、或采用其他形態(tài)觸摸板的模式。表2和圖4顯示了不同的傳感器形狀和應(yīng)用。

圖4：滑塊、滾輪、觸摸按鈕和臨近傳感應(yīng)用的例子。

表2：各種應(yīng)用的觸摸控制方案。

臨近觸摸控制對(duì)只要求一或兩個(gè)按鈕的簡(jiǎn)單接口提供了一種有吸引力的替代方案。臨近傳感器易于整合進(jìn)最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，并具有功耗低和壽命長(zhǎng)等長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)。

金屬門把手是一種理想的臨近傳感器應(yīng)用。極為敏感的傳感器可以檢測(cè)到是否有手在接近門把手，系統(tǒng)在檢測(cè)到接近行為后會(huì)給需要大功率的安防硬件通電。作為汽車報(bào)警系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)可把每次臨近檢測(cè)記錄下來并通知車主(或許可通過手機(jī))有人多次試圖拉開車門。

當(dāng)金屬物體面積為10mm(SUP/)2(/SUP)，覆膜厚度為1mm時(shí)，臨近傳感器可以在距離大于2英寸時(shí)檢測(cè)到手的接近。除了門把手之外，臨近觸摸還可用于家用電器、MP3 播放器、遙控器和移動(dòng)電話。

復(fù)雜的LCD觸摸屏方案

觸摸傳感器譜系的一端是簡(jiǎn)單的臨近傳感器，另一端是復(fù)雜的觸控LCD，為許多常見產(chǎn)品提供了高端感覺。

最值得一提的是，蘋果公司的iPod和iPhone等產(chǎn)品已急劇提升了消費(fèi)者的期望。從GPS設(shè)備和通用遙控器到數(shù)字相框和連網(wǎng)型冰箱和洗衣機(jī)，類似的觸摸屏技術(shù)可以增強(qiáng)各種電子產(chǎn)品的功能。

電話和GPS設(shè)備等緊湊型設(shè)備可使用靈活的觸摸傳感器PCB作為顯示器的外層。在這些應(yīng)用中，容性觸摸模塊可使用氧化銦錫(ITO)層在玻璃或塑料屏上實(shí)現(xiàn)透明的傳感器墊片和引線(見圖5)。

圖5：使用FMA1127實(shí)現(xiàn)的觸摸屏及PCB和觸摸屏的疊層安排。利用TDC比較由檢測(cè)電容形成RC延時(shí)線與基準(zhǔn)RC延時(shí)線的延時(shí)差別。使用差動(dòng)信號(hào)消除或降低了相關(guān)/相干噪聲源的影響，無(wú)需地層。

其他應(yīng)用還包括用來控制顯示器開啟的觸摸檢測(cè)傳感器。當(dāng)檢測(cè)不到觸摸時(shí)，顯示器關(guān)斷，從而可以最大限度地降低系統(tǒng)功耗。

觸摸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由于沒有活動(dòng)部件且易于適應(yīng)曲面外形，觸摸傳感器開關(guān)是汽車應(yīng)用的理想選擇。但汽車應(yīng)用對(duì)觸摸技術(shù)提出了更高的要求，汽車制造商要求提供成本低、工作溫度寬的汽車級(jí)觸摸傳感器控制器。

關(guān)鍵是降低觸摸傳感器方案的總實(shí)現(xiàn)成本。價(jià)格合適的觸摸傳感器為汽車設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)新穎的接口特性提供了條件。

任天堂公司的Wii使用了3維定位傳感技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)最新創(chuàng)新是3維鼠標(biāo)，工程師可在三維空間移動(dòng)鼠標(biāo)更直觀地對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行控制。

另外，微軟現(xiàn)正以Microsoft Surface觸摸電腦展示其對(duì)未來用戶接口的展望。該接口使用的觸摸技術(shù)與iPod相類似，可識(shí)別多點(diǎn)接觸及實(shí)際物體(如畫筆)，能符合直覺的方式恰當(dāng)?shù)嘏c接觸事件互動(dòng)。