一種電容式觸摸控制方法研究與設計

滕莉 龐曉東

【摘要】描述了一種電容式觸摸控制按鍵技術的方法研究，簡要介紹了電容式觸摸感應原理，并以理論為基礎設計了一種觸摸按鍵。對電容式觸摸感測總體設計方案做了介紹，詳細論述了觸摸按鍵電路設計與結構設計中的關鍵技術及設計原則，以實驗測試結果證明了方案的可行性，同時結合研發(fā)中遇到的問題給出了解決方案。

【關鍵詞】觸摸控制;電容式;靈敏度;隔離保護介質

A method research and design of the capacitive touch control

TENG Li，PANG Xiao-dong

（The First Research institute of the Ministry of Public Security，Beijing 102200）

Abstract：The paper describes a method research of the capacitive touch control，introduces the principle of capacitive touch sensing briefly and designs a touch button basing on the principle.In addition，the overall design of capacitive touch sensing is presented，the key technologies and design rules about the circuit and structure are described in detail.Experimental result shows that this design is feasible.The solution for the problems in the process of research is also presented.

Key words：touch control;capacitive;sensitivity;isolation protective mediums

觸摸控制作為高端的電子控制方式，已在許多領域得到了應用，如觸摸顯示屏、觸摸路燈開關、儀器儀表控制面板等。對使用者來說，觸摸控制器具有美觀、操作方便、易清潔的優(yōu)點，又因為采用非接觸式按鍵技術，理論上使用壽命可以無限長，不像普通按鍵只有幾十萬次的機械壽命，并且可靠性不會隨時間增加而降低[1]。根據(jù)不同的工作原理，觸摸控制可分成以下幾類：電波式（如表面聲波）、電阻式、光學式（如紅外線）、電容式、電感式、電磁式等。每一類都有其各自的優(yōu)缺點和適用場合[2]。其中，電容式觸摸按鍵技術已經(jīng)成為觸摸感應技術的主流，適用范圍更為廣泛。電容式觸控感應技術以其無機械損耗、壽命長、靈敏度高、節(jié)省空間和觸摸動作豐富等優(yōu)點得到越來越廣泛的應用，與此同時，半導體廠商也不斷地推出相應技術的IC以簡化硬件設計人員的開發(fā)。本文所設計的觸摸按鍵就是基于Atmel QTouch技術實現(xiàn)的。

1.電容式觸摸感應原理

電容式觸摸是利用人體的電流感應進行工作的。它將人作為假想的接地物（零電勢體），感應電極與地構成一個感應電容，在周圍環(huán)境不變的情況下電容值固定為微小值Cp，具有固定的充放電時間;當觸摸隔離保護介質（面板）時，由于人體電場，人的手指（隔著隔離保護介質）和感應電極形成一個耦合電容Cf，這樣就會改變固有的充放電時間。通過測量充放電時間的改變即可檢測是否有按鍵被按下[3]。根據(jù)電容定義：

（1）

式中ε0為真空介電常數(shù)，εr為隔離保護介質的介電常數(shù)，A為按鍵區(qū)域面積，一般為直徑小于10mm的圓形，T為隔離保護介質的厚度，通常為幾個mm，由公式（1）可以計算得到pF級的Cf值。

世界知名電子元器件供應商推出了眾多的專業(yè)芯片，在本設計中選用Atmel公司基于QTouch技術的控制芯片。Atmel QTouch的電容感應工作是基于電荷-傳輸（charge-transfer）原理，它通過開關電容的方式來判斷在觸摸過程中感應電極的電容變化，可以實現(xiàn)一個能夠測量電容量毫皮法級（千分之一pF）變化的高分辨率的測量系統(tǒng)[4]，因此Atmel QTouch控制器完全能夠精確測量pF級的耦合電容Cf。QTouch IC和簡單按鍵電極之間單連接來檢測觸摸，器件對未知電容的感測電極充電到已知電位。電極通常是印刷電路板上的一塊銅區(qū)域。在1個或多個電荷-傳輸周期后測量電荷，就可以確定感測板的電容[5]。

2.設計方案及關鍵技術

2.1 總體設計

觸摸按鍵由感測部分（PCB板）、隔離保護介質（絕緣層）和光線擴散介質組成，如圖1所示。

圖1 觸摸按鍵結構示意圖

感測部分的核心是ATMEL的QProx QT113A控制器。ATMEL QTouch控制器允許自耦電容型和互耦電容型兩類感應器，本方案采用自耦電容型感應器。感應器從感應方向分類又可以分為3種：無方向感應器、單方向感應器和雙方向感應器。本文設計的開關按鍵只感應一個點的動作，屬于無方向類型。當討論一個感應器設計的時候，用戶需要在感應類型和方向分類所構成的6種可能中進行合理組合[4]。本觸摸控制根據(jù)上述確定的感應器類型故選用QProx QT113A芯片作為控制器。

隔離保護介質即面板，通常選用玻璃、有機玻璃（PMMA）、聚丙烯樹脂等。由公式（1）可以明確得到，更薄的隔離保護介質和高介電常數(shù)的介質可以提高電容及響應的充電電荷保有量，從而帶來更高的增益和更好的信噪比。設計人員可以根據(jù)實際情況及外觀要求選擇介質。本方案選用4mm厚的有機玻璃，將有機玻璃背面鏤空噴漆，形成功能圖標，圖標均有背景燈光透過，這樣可使功能按鍵更顯著。

隔離保護介質與電路板之間采用ABS板作為光線擴散介質，實現(xiàn)對圖標的背景燈光擴散。如果將隔離保護介質與電路板直接裝配，則背景燈光不能完全覆蓋整個圖標，從外觀上看是一個光斑，這是因為點光源所發(fā)出光線沒有轉變成面光源。故采用在隔離保護介質與電路板間加ABS板，來達到將點光源轉變?yōu)槊婀庠吹哪康模コ獍撸沟猛庥^更加美化，同時還能降低光源亮度，減少刺眼程度。

2.2 關鍵技術

觸摸式按鍵設計在電路板上元器件位置、布線，以及結構、選材等方面都十分考究，在任一方面設計的偏差都會影響其靈敏度，以下對設計過程中需要注意的幾項原則進行詳細論述。

2.2.1 PCB設計與布局

觸摸控制IC外圍元器件布局和走線設計十分關鍵。所有無源元件在物理空間條件允許的條件下應盡可能靠近控制芯片。如果觸摸控制IC及其它無源器件置于頂層，則在底層設計感應電極，并應盡可能多的將傳感信號線布置到頂層，底層可用來布設普通信號線。由圖2可以看到本方案電路板布有感應電極的一側沒有其他元器件。需要特別注意，應該保證控制IC對應的底層沒有布設任何感應電極，同樣，一個通道的信號線對應的底層也不能布設其他傳感通道的感應電極 [6]。圖3是電路板頂層設計，圓形虛線代表感應電極在底層的位置，矩形實線代表控制IC在頂層的位置，按照上述原則控制芯片與電極不同層且位置錯開。此外，自耦類型的感應器到控制器的連線在不影響RC時間常數(shù)的前提下應該越細越好，該連線應小于150mm，連線也是對觸摸敏感的，它就是感應器的一部分，更長的連線會引入噪聲并降低感應靈敏度[4]。電容式觸摸IC外圍電路的設計還要求電子元器件與芯片間的走線遠離電源和地線，以及鋪銅部分，如電極。

圖2 感應電極設計

感應電極的設計是決定觸摸控制靈敏度的重要因素之一。電極的形狀和大小應緊密配合被感應物體的大小。按照電極最外邊緣應大出觸摸邊緣2-3mm的設計原則，以手指觸碰為例，建議設計電極大小為8到10mm的方塊或圓片。增大感應電極建議不要超過15×15mm2，因為過大的電極不但會降低靈敏度，而且會增加對噪聲的易感性[6]。電極形狀可設計成各種幾何形狀，例如方形、圓形、三角形，以便具有不同功能和應用。本觸摸按鍵感應電極設計如圖2所示。

圖3 控制芯片與感應電極位置設計

2.2.2 結構設計

觸摸按鍵的面板必須選用絕緣材料，如上述所列，按鍵正上方1mm以內不能有金屬，50mm以內的金屬必須接地，否則會影響到靈敏度。在生產過程中，要保持面板的材質和厚度不變，面板的表面噴涂必須使用絕緣的涂料[7]。

當采用如本設計一樣將三種（FR4板、ABS板和有機玻璃板）甚至更多種材質疊放在一起時，要確保相鄰兩層之間無縫隙，否則將容易導致內部空間的濕度變化或空氣介質發(fā)生變化，造成漂移，進而影響按鍵的靈敏度和可靠性。如果所應用的環(huán)境惡劣建議使用透明膠將各層壓緊。此外，各個結構件間良好的結合也是保證靈敏度的重要因素。如果觸摸時，電極、ABS板、有機玻璃板間有相對滑動，即使是100微米很小的移動，也會帶來靈敏度不穩(wěn)定。發(fā)生位移后需要再次上電進行校準。可通過超聲波焊接、粘合劑、螺絲釘緊固等方法將其固定。

觸摸式按鍵背光照明設計，通常在按鍵的中間挖空，使PCB上的LED能照射到面板上鏤空的圖標或字符。圖2電極設計中可以看到中央位置處的LED。注意小孔要盡量小，孔越大損失的敏感度就越多。最大孔徑可依據(jù)按鍵直徑來設計，如表1所列。

表1 照明LED安裝孔徑尺寸

面板的外觀設計需要注意的是，進行噴涂修飾時，要事先了解這種裝飾原料的導電性能，否則即便是外觀設計也會對按鍵性能產生影響。作者選擇了兩種物質做了實驗對比。一種是采用在有機玻璃材料背面進行絲網(wǎng)印刷，介質是油墨，雖然遮光效果佳，但靈敏度急劇下降，甚至為零，這與油墨中含有金屬離子，從而具有金屬屬性有關，所以油墨會嚴重影響觸摸按鍵的靈敏度，對于本設計不宜采用。另一種選用噴黑漆作為底色，不僅遮光效果好，靈敏度也比較理想。實驗結果表明，采用不同噴涂材料對靈敏度影響極大，原因是不合理的介質會導致電場傳導的連續(xù)性被破壞。本設計中承載感應電極的基材電路板FR4，其介電常數(shù)為4.2，作為隔離保護介質的有機玻璃其介電常數(shù)為4，油漆的介電常數(shù)為3.5，ABS板的介電常數(shù)為3.04，因此電場就具有較好的連續(xù)性。

3.測試實驗

在設計之初由于缺乏對介質導電性能的了解，使用了油墨對外觀進行噴涂裝飾，破壞了組成觸摸按鍵結構的各個部件間電場的連續(xù)性，導致無輸出，經(jīng)過調整所選材料，使用黑漆噴涂，測試輸出正常。對于靈敏度的調節(jié)一方面可以從控制芯片的GAIN引腳的輸入電平調整，若靈敏度過高可從高電平轉為低電平，這種調整可以明顯改變靈敏度;另外一方面可以從調節(jié)收集電容Cs和Cx的值來微調靈敏度，Cs值越大Cx值越小則靈敏度越高，但注意Cs在10nF～500nF，Cx在0～100pF[8]，若超出這個范圍則無輸出。對觸摸按鍵單板測試無誤后，放于某儀器設備上用于控制照明開關，經(jīng)過一段時間的觀察發(fā)現(xiàn)有時會出現(xiàn)上電瞬間燈閃一下的現(xiàn)象，捕捉到的圖形如圖4，觸摸按鍵受到干擾時間約為200ms。在應用環(huán)境中干擾無處不在，有來自儀器內部的也有環(huán)境中存在的，對于已經(jīng)設計完成的觸摸式按鍵電路板，可以通過磁環(huán)有效地屏蔽一部分干擾。本應用選用TDK的ZCAT 2132-1130磁環(huán)固定在數(shù)據(jù)線纜上問題得到解決。

圖4 觸摸控制受干擾波形圖

4.結論

基于Atmel QTouch技術設計的一種觸摸開關控制方案，電路與結構上依據(jù)設計過程中的原則和規(guī)范，經(jīng)過實驗證明可以有效地實現(xiàn)開關控制，能夠在一定范圍內調節(jié)靈敏度以適應不同應用的需求。觸摸式控制設計重點在于電路元器件、走線和電極的布局，以及結構件的選材，要了解每個部件的電性能，只有做好每個細節(jié)，組裝后的觸摸按鍵才能在靈敏度和抗干擾上得到理想的效果。

參考文獻

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[7]陳斌.電容式觸摸按鍵設計與專用芯片應用[J].電子世界，2014（16）.

[8]Datasheet-QPro QT113/113A CHARGE-TRANSFER TOUCH SENSOR.okDatasheet.com 2001.

作者簡介：

滕莉（1981—），女，工程師，主要研究方向：測控技術。

龐曉東（1973—），男，副研究院，主要研究方向：嵌入式硬件開發(fā)。