原创 手持移动设备的触摸传感技术简介 (1)

* C表示电容，单位为法拉
* A是单个金属垫片的面积，单位为平方米
* εr是金属垫片间材料的相对静态介电常数(真空=1)
* ε0是自由空间的介电常数=8.854×10(SUP/)-12(/SUP)F/m
* D是板之间的距离或间隔，单位为米。
另外，触摸强度随压力、触摸面积或电容的增加而增大。D减小等价于电容增大或触摸强度增大。
这个方程表明，覆膜厚度及其介电常数对触摸强度影响很大。该方程还表明，电容传感器本质上对周围环境和触摸激励的特性敏感——不管触摸来自手指、乙烯基、橡胶、棉花、皮革或水(见图1)。

 

图1：触摸灵敏度依赖于覆膜材料、垫片尺寸和厚度。
表1列出了各种常用覆膜材料的介电常数。我们可以基于这些值来考察触摸传感器在厨房中的应用，因为在厨房中这些传感器很容易溅上食用油。
 

 

表1：介电常数。
典型的食用油如橄榄油或杏仁油的介电常数在2.8-3.0之间。石蜡在华氏68度时的介电常数在2.2-4.7之间。这些材料的介电常数接近甚至小于传感器常用覆膜聚碳酸脂(2.9-3.2)或ABS材料(2.87-3.0)的介电常数。因而，油对传感器的操作没有多大影响。
相反，甘油的介电常数在47-68之间，水的介电常数约为80。尽管这些材料的介电常数比覆膜材料高，对于使用数字触摸检测技术(如ATLab公司开发并拥有产权的FMA1127触摸传感器控制器所使用的技术)的触摸传感器来说，由于传感器垫片和溅上的液体都没有接地，溅上这些液体不会引起任何异常行为。
尽管触摸传感器的操作细节和接口依赖于具体的应用，一般来说，容性传感器接口电路和检测方法有模拟和数字两种类型。一种模拟技术是测量频率或工作周期，这些量因为在手指和地之间引入额外的电容而发生变化(见图2)。
 

 

图2： 模拟触摸方案；由于需使用参考地，可能会受到水滴的影响。
利用这种技术和高分辨率的模数转换器(ADC)，可以把测到的模拟电压转换成数字代码。得益于混合信号技术的进步，最新款的电容/数字转换器把高性能模拟前端与低功率高性能ADC集成在一起。
模拟接口电路的一个缺点是容性传感器可能会受到难以捉摸的噪声、串扰、耦合的影响。另外，传感器输出的动态范围受到电源电压的限制，而随着半导体制造技工艺节点的缩小该电源电压在不断降低。
如果使用深亚微米CMOS技术把传感器电路与复杂的数字信号处理模块集成到相同的基底上，情况会变得更具挑战性。为避免外部干扰，该器件可能会要求使用软件工作区，这增加了与之接口的微控制器的存储器开销和性能开销。
全数字传感方法(见图3)可避免与模拟方法有关的问题。数字方法通过使电容成为RC延时线的一部分来检测传感器电容的变化。
 

 

图3：数字触摸方案；在存在水滴时仍具有鲁棒的性能。
图3中简单的全数字型时间/数字转换器(TDC)测量该延时线相对于基准RC延时线的差并输出阻抗的变化。寄生电容对RC延时的影响可通过加电补偿来消除。
手指碰到传感器垫片使电容增大进而提高了RC延时时间并导致阻抗变化。把这个阻抗与校准阻抗对比可确定是否发生了触摸事件。该传感方案很容易通过调整RC延时线的电阻来改善性能。

(本文转自电子工程世界：http://www.eeworld.com.cn/dygl/2011/1205/article_9073_2.html)