电容触摸

设计使用触摸控件的产品是一个复杂的过程，需要做出许多决定，例如在产品结构使用哪种材料以及如何满足机械和电气方面的要求。此过程的关键在于实际传感器（特别是按钮、滑动条、滚轮和触摸屏）的设计，它们构成了与用户交互的接口......

<strong><font color="#FF0000">作者：刘彦珺 赵丰</font> </strong>

<strong>引言</strong>

利用人体和电极之间产生的静电电容进行工作的电容式触摸开关，最初被应用于智能手机，进而又被广泛地应用在了家电产品、AV机器、汽车以及工业设备上。由于触摸开关的组成无需机械部件，因此使用起来非常灵活，甚至可以安装在坚硬的曲面上。本文基于瑞萨电子的静电电容式触摸技术，介绍触摸开关检测的基本原理以及抗干扰技术等。

<strong>触摸开关检测原理简介</strong>

静电电容式触摸开关通过捕捉人体与电极之间静电电容（1pF以下）的微弱变化，判断开关的ON/OFF状态。有很多种方法可以将静电电容量转换为开关的ON/OFF状态。其中最简单的方法，是利用静电电容和电阻形成低通滤波器（LPF），通过测量充电/放电常数的变化判断静电电容的变化。这种方式被称为张驰振荡方式。由于其电路简单，无需专用的静电电容测量电路，因此被广泛应用。但是这种方法的抗噪声性能偏弱，有时会由于照明灯具或家电产品的逆变噪声而发生误判。

随着电子产品的交互体验的更新迭代，电容触摸按键正扮演着重要的角色，尤其是在家用电器领域，诸如遥控器、开关、电磁炉、电饭锅、洗衣机等此类电器设备。电容触摸按键相对于传统的机械式按键，不会因环境条件的改变或长期使用发生性能变化，具有可穿透、抗干扰能力、防水能力、易于清洗、高灵敏度、高可靠性以及低成本等明显优势。

实际应用中，要实现高稳定性能的电容触摸按键，需要触摸芯片以及硬件电路设计具有一定的高稳定性。触摸芯片必须满足用户在复杂应用中对稳定性、灵敏度、功耗、响应速度、防水、带水操作、抗震动、抗电磁干扰等方面的高体验要求，以保证对环境变化具有灵敏的自动识别和跟踪功能。另外，触摸芯片的软件程序开发对于触摸灵敏度的调整也相对复杂。

瑞萨电子集成全新的触摸按键功能外设的RX100/RX200系列微控制器产品可以克服上述问题，新触摸按键同时支持电容自感应和电容互感应方式，其高灵敏度硬件特性配合软件开发工具，将带来的全新的电容触摸按键设计理念。

电容式触摸感应检测按键电路是一类对静电特别敏感的电路，因此静电放电（ESD）保护结构的选择问题对这一类电路显得特别重要。一方面要确保所选择的ESD保护结构有足够的抗静电能力，另一方面这种ESD保护结构又不能使芯片的面积和成本增加太多，基于此要求，介绍了3种应用在电容式触摸感应检测按键电路中的ESD保护结构。主要描述了这3种结构的电路形式和版图布局，着重阐述了为满足电容式触摸感应检测按键电路的具体要求而对这3种结构所作的改进。列出了这3种改进过后的ESD保护结构的特点、所占用芯片面积以及抗静电能力测试结果的比较。结果表明，经过改进后的3种ESD保护结构在保护能力、芯片面积利用率以及可靠性等方面都有了非常好的提升。

在工业应用中，传感器节点、工业仪表和控制面板上的机械按钮很容易落满灰尘，而越积越多的灰尘最终会导致设备故障。在工业环境中用电容触摸机制来替代机械按钮的人机接口 (HMI) 系统提供诸如更加时尚设计、易于清洁和不容易出现机械故障等优势。最新的电容触摸技术在解决某些工业HMI中最棘手难题方面向前迈进了一步。

<strong>抗扰度挑战</strong>

运行在工业环境中的电机、中继器和开关会在电力线中注入巨大噪声。这些噪声源会在测量信号中的波动与检测阀值相交时错误地触发一个器件。下面的图片显示了电容测量在噪声出现时会受到哪些影响。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-06/wen_zhang_/100006387-19801-yq1…; alt=“” width="600"></center>