影響電容式觸摸按鍵靈敏度的因素及設(shè)計(jì)規(guī)范

季盛浩

摘? 要：影響觸摸按鍵的靈般度的因素很多，文章詳細(xì)分析了影響觸摸按鍵靈敏度的因素，并提出了一些技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)提高設(shè)計(jì)人員及生產(chǎn)制造管理人員有著積極的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：觸摸按鍵;靈敏度;設(shè)計(jì)規(guī)范

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）27-0088-03

Abstract： There are many factors that affect the dexterity of touch buttons. This paper analyzes in detail the factors that affect the sensitivity of touch buttons， and puts forward some technical design specifications， which has a positive guiding significance for improving designers and manufacturing managers.

Keywords： touch button; sensitivity; design specification

引言

電容式傳感器基本上可以分成幾類：電場(chǎng)傳感器、基于張弛振蕩器的傳感器、電荷轉(zhuǎn)移（QT）器件等。大部分電容式傳感器都是基于RC充放電的原理，不同的只是檢測(cè)的信號(hào)及其有效的算法。有的判斷充電電壓閾值的變化，有的判斷充電到一定電壓閾值的時(shí)間變化，有的則判斷一段時(shí)間內(nèi)充電到閾值電壓的次數(shù)變化（即頻率變化）。但是這些在總體上都有一些缺陷，在醫(yī)療電子消費(fèi)類領(lǐng)域還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，還存在缺乏設(shè)計(jì)的靈活性和設(shè)計(jì)的精確度不好把握等問(wèn)題。尤其在觸摸按鍵的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)觸模按鍵形狀的設(shè)計(jì)，往往只能借鑒前人的設(shè)計(jì)值以及經(jīng)驗(yàn)。本文將對(duì)于觸摸按鍵的理論設(shè)計(jì)以及對(duì)觸摸按鍵靈敏度影響最大的因素做詳細(xì)的討論。

1 影響觸摸按鍵靈敏度的因素

從以上公式可以看出，凡是影響到K和Ct的參數(shù)均會(huì)影響到靈敏度，主要包括：供電電壓的偏差（VCC）面板層厚度誤差（D）、手指接觸面積（A）和面板層介質(zhì)變化（εr）。

1.1 觸摸按鍵電阻率r的影響

在公式 9所引入的振蕩電阻R不僅包含MCU中可設(shè)置的電阻系數(shù)，還應(yīng)包括觸摸按鍵電極材料的電阻率，相當(dāng)于串聯(lián)關(guān)系。從公式中可看出，設(shè)按鍵電極電阻率為r，其變化量為△r，對(duì)靈敏度的影響為：

MCU內(nèi)部可設(shè)的電阻系數(shù)范圍為1～100k？贅，當(dāng)使用ITO、斑馬紙等高電阻率的物質(zhì)做觸摸按鍵電極及其連接時(shí)，需充分評(píng)估其電阻變化對(duì)靈敏度的影響，并預(yù)留閾值。

1.2 面板層厚度的影響

面板層厚度的偏差主要來(lái)源于加工誤差，而面板層的相對(duì)介電常數(shù)不變。根據(jù)公式9有：

假設(shè)面板厚度產(chǎn)生△d的變化量，造成靈敏度△Sensitivity的變化，則有：

可見(jiàn)Sensitivity變化與面板層厚度變化成反比，且變化的百分比量基本相同。

面板層厚度變大，Sensitivity變小。因此需要在設(shè)計(jì)時(shí)在Finger Threshold中預(yù)留這部分變化量。

1.3 手指接觸面積的影響

假設(shè)手指接觸面積變化△A，則根據(jù)公式10有：

接觸面積增大，Sensitivity變大，且呈線性。

1.4 面板層介質(zhì)的影響

假設(shè)原面板層厚度為D，介電常數(shù)為εr1。在原面板層上疊加一厚度為d，介電常數(shù)為εr2的另一層面板，從而形成另一電容。這兩個(gè)電容形成近似的串聯(lián)關(guān)系，則根據(jù)公式 2和電容串聯(lián)公式有：

根據(jù)公式 11可推導(dǎo)出由于面板層增加d厚度介質(zhì)而造成靈敏度△Sensitivity的變化為：

當(dāng)增加的面板層是空氣時(shí)，有εr2=1，則公式12變化為：

假設(shè)原面板介電常數(shù)為4（一般類PMMA、ABS或FR4），厚度為2mm，引入的空氣層厚度0.1mm，則靈敏度下降17%。可見(jiàn)，微小的空氣層可以引起靈敏度的大量下降，且原面板介電常數(shù)越大、厚度越小，影響越巨大。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中盡量避免空氣層的出現(xiàn);當(dāng)不可被避免時(shí)，應(yīng)增加使用小介電常數(shù)的面板材料并增加其厚度，在測(cè)試后設(shè)置FT值時(shí)要給予充分的評(píng)估。

2 設(shè)計(jì)規(guī)范

為規(guī)范PCB觸摸按鍵設(shè)計(jì)的流程和設(shè)計(jì)原則，為PCB觸摸按鍵設(shè)計(jì)者提供必須遵循的規(guī)則和約定。提高PCB觸摸按鍵設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率及可生產(chǎn)性、可測(cè)試、可維護(hù)性。制定一些技術(shù)規(guī)范，對(duì)于觸摸按鍵設(shè)計(jì)及制造具有很好的參考意義。

2.1 PCB設(shè)計(jì)

（1）如果按鍵面板與PCB板之間直接用雙面膠緊密粘合，PCB可做成雙面板或者單面板，可直接在PCB板上放置銅箔焊盤(pán)作為觸摸按鍵。

（2）觸摸按鍵與MCU不在同一塊PCB板上時(shí)，盡量不要將觸摸按鍵電極信號(hào)線作為連接線。

（3）觸摸按鍵的表面與觸摸面板接觸部分應(yīng)平整，以

保證觸摸按鍵與觸摸面板的完全接觸，不留空隙。

（4）觸摸按鍵芯片的供電要穩(wěn)定紋波要小，建議使用單獨(dú)的電源供電。

（5）觸摸按鍵電極片的大小應(yīng)不小于人手與觸摸按鍵的最大接觸面積，觸摸按鍵的形狀可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)成圓形、方形或長(zhǎng)方形，盡量不設(shè)計(jì)狹長(zhǎng)形狀。

（6）觸摸按鍵與IC管腳之間的走線盡量要短、要細(xì)，長(zhǎng)度不要超過(guò)30cm，線寬不要超過(guò)0.3mm，通常線寬選擇0.2mm。盡量使線外形上保持直線，因?yàn)樾盘?hào)線彎曲會(huì)影響人手觸摸帶來(lái)的電容量變化。

（7）因?yàn)殡娙菔接|摸按鍵屬于高阻抗特性，特別容易受到高頻信號(hào)的干擾，因而盡量避免高頻信號(hào)接近信號(hào)線。

（8）感應(yīng)電極信號(hào)線之間盡量不要平行，如需平行的話盡量要遠(yuǎn)，建議在1mm以上。

（9）如果觸摸按鍵信號(hào)線必須和不同板層的信號(hào)線交叉，則交叉方式應(yīng)為垂直交叉。

2.2 觸摸按鍵的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電容式觸控按鍵，sensor pad的形狀和大小是影響系統(tǒng)靈敏度的一個(gè)因素，一個(gè)面積大的sensor pad將更容易被系統(tǒng)識(shí)別到，并且信噪比也會(huì)更高些;sensor pad的面積大小約等于人手按下后的接觸面積即可;而sensor pad的形狀則建議為圓形或者方形，為了防止在觸摸一個(gè)sensor pad時(shí)，其他pad也會(huì)被感應(yīng)到，建議PCB Layout時(shí)2個(gè)sensor pad之間的距離不小于5mm。

2.3 面板層的設(shè)計(jì)

觸摸面板要選擇不導(dǎo)電的絕緣材料，有兩個(gè)參數(shù)需要考慮，一是絕緣板材質(zhì)，二是絕緣板厚度。更高的介電常數(shù)能產(chǎn)生更好的電容耦合度，即人手觸摸按鍵時(shí)，信噪比及靈敏度會(huì)更高。絕緣板材質(zhì)的厚度既會(huì)影響觸摸按鍵的靈敏度，也關(guān)系到系統(tǒng)抗ESD的能力，絕緣板太厚，按鍵靈敏度太低，甚至無(wú)法檢測(cè)到按鍵，且容易造成按鍵系統(tǒng)不穩(wěn)定;絕緣板太薄，系統(tǒng)ESD能力又太弱，表1給出不同材質(zhì)的絕緣板在過(guò)12kV ESD測(cè)試下的最小厚度。

3 結(jié)束語(yǔ)

觸摸按鍵的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它具有很好的穩(wěn)定性、防水性、易操作性?；谟|摸按鍵的廣泛應(yīng)用以及制作工藝過(guò)程的許多講究和需要注意事項(xiàng)，文中專門(mén)對(duì)觸摸按鍵的原理和對(duì)觸摸靈敏度的影響進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并提供一些技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于觸摸按鍵設(shè)計(jì)及制造具有很好的參考意義。

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