電容式觸控：細(xì)數(shù)不同方案

電容式感測(cè)應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)，從工業(yè)、汽車和醫(yī)療設(shè)備，到智能手機(jī)和平板電腦等日常消費(fèi)應(yīng)用。該技術(shù)的迅速普及主要?dú)w功于它能輕松地增強(qiáng)設(shè)備的用戶體驗(yàn)，使制造商可以放棄傳統(tǒng)的開關(guān)控制，換成更具吸引力的觸摸式控制。

該技術(shù)還有助于減少設(shè)備中機(jī)械元件的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)更長的使用壽命和更小的尺寸。這些特性使得采用電容式感測(cè)的產(chǎn)品對(duì)消費(fèi)者更具吸引力，當(dāng)然前提是其設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)和控制必須到位。

盡管電容式感測(cè)也廣泛用于實(shí)現(xiàn)觸控按鈕和滑條，這在消費(fèi)、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中都很常見，但該技術(shù)最常見的目標(biāo)應(yīng)用是觸控板(touchpad)和觸控屏幕(touchscreen)。不過實(shí)踐證明，對(duì)大多數(shù)工程師而言，如何設(shè)計(jì)低成本、快速響應(yīng)且能效高的傳感器來保證設(shè)備在嘈雜環(huán)境中的可靠運(yùn)行是一個(gè)挑戰(zhàn)，而這在目前市場(chǎng)上是標(biāo)準(zhǔn)要求。

在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和可穿戴設(shè)備技術(shù)方面尤其如此。未來幾年，這個(gè)市場(chǎng)將以極快的速度增長，消費(fèi)者希望這些設(shè)備提供與已有IoT設(shè)備相同甚至更出色的使用體驗(yàn)。因此，工程師需要認(rèn)真思考哪種電容式感測(cè)方法對(duì)其應(yīng)用最有效，因?yàn)槭袌?chǎng)上有一些適合不同用途的方案與設(shè)計(jì)，而它們之間的差異也極大。

觸控板

用于用戶界面的最基本的觸控式感測(cè)應(yīng)用，可能就是我們都熟悉的投射式電容觸控(PCT)觸控板。這些設(shè)計(jì)由位于玻璃板之間的導(dǎo)電材料層的行和列的矩陣組成。對(duì)該網(wǎng)格施加電壓可產(chǎn)生電場(chǎng)，其強(qiáng)度可在每個(gè)交叉點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)導(dǎo)電物體(如人的手指)靠近并接觸PCT面板時(shí)，接觸點(diǎn)的電場(chǎng)發(fā)生改變，可測(cè)量為電容差。

工程師可采用兩種方案來實(shí)現(xiàn)PCT技術(shù)：自電容觸控板與互電容觸控板。

自電容設(shè)計(jì)位于印刷電路板(PCB)上，由接地引線環(huán)繞。PCB上的每個(gè)傳感器與周圍的接地引線形成一個(gè)寄生電容，電場(chǎng)線在傳感器的頂部。接近的手指會(huì)引入一個(gè)額外電容，使電場(chǎng)扭曲。該設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)是一次只能檢測(cè)一個(gè)觸摸，盡管該模式相對(duì)經(jīng)濟(jì)有效，但實(shí)際上只適合屏幕后面空間有限的設(shè)備。

但是，互電容感測(cè)方法(指任何兩個(gè)帶電物體之間存在的電容)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)多個(gè)觸摸的檢測(cè)，這對(duì)采用大尺寸顯示屏的復(fù)雜設(shè)備非常理想。在手指觸摸期間，兩個(gè)物體間的互電容減小：觸摸控制器可檢測(cè)到互電容的減小，從而識(shí)別手指的觸碰。很重要的是，每個(gè)交叉點(diǎn)都有獨(dú)一無二的互電容并可獨(dú)立跟蹤。

對(duì)于互電容觸控板，手指的觸碰會(huì)造成電容減小。相反，在自電容觸控板上，手指帶來的額外電容會(huì)增加傳感器所測(cè)量的總電容。

觸控屏幕

多個(gè)電容觸控板可組合形成一個(gè)觸控屏幕(或觸控面板)，可檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)手指在一個(gè)玻璃面板上的位置。這些觸控屏幕廣泛用于手機(jī)、平板電腦、空間有限的高端可穿戴設(shè)備等，并可分成三個(gè)主要類別：PCB、電容式、單層ITO觸控面板。

PCB觸控面板 – 低成本、低功耗，但制造難度大

印刷電路板(PCB)觸控面板，基本上是緊挨著顯示屏放置的兩個(gè)或更多PCB自電容觸控板。它是創(chuàng)建原型設(shè)計(jì)和沒有空間限制的商業(yè)設(shè)備的理想選擇，因?yàn)樗捎脴?biāo)準(zhǔn)PCB制造工藝，該制造工藝已經(jīng)非常廣泛，而且成本低廉。

在設(shè)計(jì)觸控按鈕來形成PCB觸控面板時(shí)，尺寸通常是需要考慮的重要參數(shù)。但是也應(yīng)當(dāng)考慮形狀和間距(觸控板之間的間隙)，確保將誤檢測(cè)率降到最低。

電容式觸控面板 – 比其它他方案功能更豐富，但使用案例較少

另一方面，電容式觸控面板有兩個(gè)垂直堆疊的氧化銦錫(ITO，一種高導(dǎo)電材料)導(dǎo)電層，一個(gè)是列導(dǎo)電層，一個(gè)是行導(dǎo)電層。該設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是每個(gè)交叉點(diǎn)都有其獨(dú)一無二的互電容，并可通過觸摸控制器獨(dú)立進(jìn)行跟蹤。

電容式觸控面板是許多應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┒帱c(diǎn)觸控，并且可以輕松進(jìn)行配置，以支持兩個(gè)或更多觸控板，另外它們的超薄模塊設(shè)計(jì)，使其適合更大的屏幕尺寸。

但這些設(shè)計(jì)也有它們的缺點(diǎn)，其導(dǎo)電層所需的兩層ITO成本非常高。此外，電容式觸控面板還非常耗電，其高睡眠電流使得控制器需要消耗大量電能，使其不適用于小型可穿戴設(shè)備。

單層ITO觸控面板 – 低成本、低功耗、且易于制造

另一方面， 單層ITO觸控面板方案以更低的成本提供了電容式觸控屏幕的許多優(yōu)點(diǎn)。主要差別在于其觸控板的數(shù)量是預(yù)定義的，不能像在電容式觸控面板中那樣動(dòng)態(tài)改變。這種預(yù)定義性質(zhì)在尺寸和控制器計(jì)算資源方面帶來了許多優(yōu)勢(shì)。從制造角度看，這種方案非常類似于電容式觸控面板，不同的是，它只用了一層ITO。

工程師需要權(quán)衡所有這些設(shè)計(jì)的利弊，以確定哪種方案最適合其應(yīng)用。電容式觸控解決方案總體上能夠使大多數(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)和功能流線化，但在根據(jù)既定用途來確定最聰明和最安全的實(shí)現(xiàn)方法時(shí)，對(duì)尺寸和功耗等因素的考慮也非常重要。