電容式感應觸摸開關

觸摸開關按開關原理分類有電阻式觸摸開關和電容式觸摸開關，在多種技術中，電容式觸摸感應技術已經成為觸摸感應技術的主流，在按鍵方案上，能為產品帶來整體的外觀檔次提升。

電容式感應觸摸開關可以穿透絕緣材料外殼 20mm （玻璃、塑料等）以上， 準確無誤地偵測到手指的有效觸摸，保證了產品的靈敏度、穩定性、可靠性等不會因環境條件的改變或長期使用而發生變化，并具有防水和強抗干擾能力。

電容感應式觸摸開關，需要穩定的單火線電源處理以及穩定可靠的觸摸感應芯片，做到防誤觸發、防各種電磁干擾、負載干擾、環境干擾、甚至需要防水防塵功能等智能觸摸開關功能要求。

電容式傳感的基本原理

觸摸開關按開關原理分類有電阻式觸摸開關和電容式觸摸開關，在多種技術中，電容式觸摸感應技術已經成為觸摸感應技術的主流，在按鍵方案上，能為產品帶來整體的外觀檔次提升。

電容式感應觸摸開關可以穿透絕緣材料外殼 20mm （玻璃、塑料等）以上， 準確無誤地偵測到手指的有效觸摸，保證了產品的靈敏度、穩定性、可靠性等不會因環境條件的改變或長期使用而發生變化，并具有防水和強抗干擾能力。

電容傳感技術為開發人員提供了一種與用戶互動的全新方式，在設計一個電容感應式觸摸開關時，需要考慮許多不同的因素。從以往的使用經驗來看，在各種不同的工作條件下，開關的靈敏性必須與多種情況相兼容。本節我們要討論在設計電容感應式觸摸開關PCB觸點圖形時，各種不同的排板設計對開關靈敏度的影響，包括電容式傳感技術如何使器件具有更高的可靠性以及管理電容式傳感技術的控制器如何通過提供更多功能為客戶帶來增值服務和降低維護成本。

機械開關比較容易磨損，甚至磨壞產品外殼，導致缺口或裂口處侵入污染物。電容式傳感器就不會發生損壞產品外殼的情況，也不會出現缺口粘連物，更不會出現磨損。因此，采用這種技術的開關器件是替代多種機械開關產品的理想選擇。

如下圖所示，電容式開關主要由兩片相鄰的電路極板構成，而根據物理原理，兩片極板之間會產生電容。如果手指等導體靠近這些極板，平行電容（parallelcaPACi-tance）就會與傳感器相耦合。將手指置于電容式傳感器上時，電容量會升高；移開手指，電容量則會降低，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，當然，也可以使極板順應各種曲面的弧度。

構建電容式開關的要素包括：電容器、電容測量電路系統、從電容值轉換成感應狀態的局部智能裝置。

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。越厚的絕緣層所產生的耦合電容愈低。若要傳感手指的觸碰，必須實現能夠檢測到1%以下電容變化的電容傳感電路。

增量求和調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撲結構。相位開關使傳感器電容向積分電容中注入電荷。該電壓持續升高，直到大于參考電壓為止。比較器轉為高電壓，使放電電阻器開始工作。在積分電壓降至參考電壓以下時，該電阻器停止工作。比較器提供所需的負反饋，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。每次啟動該開關組合都會傳輸一定量的電荷。對于下式顯示的充電電流而言，電荷傳輸的速度與開關頻率（fc）成正比

放電電流

放電電流通過電阻實現。在比較器高電壓時，會啟動開關以連接至放電電阻。比較器按一定比例在高、低壓間循環，以使積分電容電壓等于參考電壓。可將比較器為高電壓時的百分比定義為“DensitYout”，僅在這部分百分比的時間段放電。有關電流的計算為

在穩定狀態下，充電電流與放電電流必須匹配。設置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算出傳感器的電容。可使參考電壓與供電電壓成正比，這樣供電電壓就對電容／密度的計算結果沒有影響了，這也使得該電路對于電源具有較強的抗波動能力。

數字電路用于檢測密度，下圖給出了這種電路的范例。

該脈寬調制器（PWM）可控制密度輸入至計數器（enablegate），如果PWM的脈寬為“m”個周期，假設在這段時間中計數器積累了“n”個采樣，那么密度則為n/m；如果PWM的脈寬為100個周期，就會得到1/100的分辨率，這個時間再擴大10倍，則得到1110000的分辨率。觀測的周期數越大，分辨率也就越高。

觸摸傳感電容開關不帶任何機械部件，并能輕松順應曲面應用的要求，因而能夠成為當前各類產品應用的理想技術。利用動態再配置功能，我們可實現硬件的重復使用，在不增加額外成本的情況下實現更多的系統功能。

對開關靈敏度的影響

光有一個觸摸感應開關是不能使用的，除非系統能可靠測定開關所處的狀態。使用機械開關來實現電氣連接是沒問題的，如果機械開關能合理地連接，那么能正確地決定開或關的狀態。使用感應觸摸開關時，開關所處的狀態有時很難明顯界定。

電容感應式觸摸開關在實際應用時，可能會出現：當使用者的手指在碰到觸摸開關時，觸摸感應開關端的電容還沒有充分地充電而手指已經離開了觸摸點，那這時開關的狀態處于何種狀態呢？因此當手指碰觸時，為了增加檢測開關的可靠性，使電容充電最佳化，下列幾項內容對充電電容的性能參數影響較大。

（1）尺寸、形狀和在PCB上的開關放置位置。

（2）連接在PCB和使用者手指之間的材料。

（3）連接到開關與MCU之間連線參數。

上述這些條件，對觸摸式感應開關的靈敏度都有直接的影響，因此必須正確設計感應開關。