晶尊微电子电容触摸传感器设计指导

时间： 2021-05-20 来源：晶尊微电子

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触摸控件产品的设计是一个复杂的过程，需要考虑多方面因素影响，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）的设计，它们构成了与用户交互的接口。晶尊微电子（ICman）电容触传感器都基于自电容触摸理论设计，如下说明都是基于自电容触摸理论说明。

一、电容传感器模型

电容触摸传感器是使用单个传感器电极来测量电极与触摸传感器电路的直流地之间的视在电容。

1.1无触摸电容传感器模型

图 1

设备基电容由寄生电容、传感器电容和接地返回电容组合而成。这些电容组合形成“未触摸”电容，此电容初始化及无按键触摸时候期间自动测量，并用作检测电容变化（指示接触点）的参考电容。

1.2有触摸电容传感器模型

图 2

当形成接触点时，将通过“人体模型”引入一条平行于地的路径，从而增加传感器的视在电容。触摸电容Ct与HBM电容Ch和接地电容Cg形成串联组合。这种增加称为“触摸增量”。人体触摸模型电阻Rh几乎不影响电容触摸的灵敏度。

Ct电容：可以近似为平行极板电容，置于固体表面上的用户手指头可以近似为直径在5-15 mm之间的圆盘。典型的用户指头触摸直径估计为8 mm，本文档的示例中将使用此值。电容极板为触摸传感器电极和用户指头，电解质为触摸盖板。Ct电容值大概，0.1 pF至5 pF，具体取决于传感器与用户指头接触的面积和触摸盖板厚度/材料。
Ch电容：人体模型电容，人体相对于地的自电容，一般成人为100 pF至200 pF，具体取决于体型。
Cg电容：指示直流地与大地之间的耦合电容，这取决于应用类型和电源系统，小型电池供电设备中低至约1 pF。当直流地直接连接到大地时，电容无限大，可以直接认为是短路。

根据电容串联并联的公式，在串联电容中，起主导作用的是最小的电容。如下串联电容组合：

公式 1

Ct比Ch小得多，并且在大多数应用中， Ct也比Cg小得多，因此Ct决定了测量电容的变化。

Ct = 1 pF， Ch = 100 pF， Cg = 100 pF

→ CTotal = 0.98 pF

→ CTotal 几乎等于Ct

但是在Cg非常小（例如2 pF）的应用中，灵敏度将显著下降。
Ct = 1 pF， Ch = 100 pF， Cg = 2 pF

→ CTotal = 0.662 pF

二、传感器设计

2.1 触摸电容模型

触摸电容在设计传感器时，可以通过平行极板电容公式得出Ct的简单近似值。注意点，当面积尺寸比距离尺寸小一个数量级时，这种近似就会存在精度偏差。

平行极板电容

公式 2

其中“A”是平行面积，“ϵ”是电解质的介电常数，即真空介电常数ϵ0 × 相对介电常数 ϵr ， “d”是盖板的厚度。

举例：触摸传感器电极：12 mm直径的圆盘触摸；覆盖层：相对介电常数ϵr = 2的1 mm塑料；接触点： 8 mm直径的圆盘。真空介电常量的数值为：

ε₀＝8.854187817 × 10^-12 F/m（近似值）。圆的面积公式S=πr²

Ct = 8.854187817 × 10^-12 ×2 × 0.00005027/0.001 =0.89PF

2.2 按键感应盘的设计

电容传感器的最简单实现是按钮，其中传感器由单个节点组成，并被解析为二进制状态：“检测中”或“退出检测”当触摸增量（触摸电容 Ct 的数字化测量值）超过触摸阈值时，传感器处于“检测中”。传感器的实现形式是用户触摸或触摸仿真器，例如通过人体模型电路接地的导电条。阈值设置为最大触摸增量的比例（通常为 50%）。

图 2 按键感器增量和阈值

传感器电极形状

电极即为构成传感器的基板上导电材料的贴片。常见形状是圆形或矩形实心区域，但具有足够接触点面积的任何形状都可以使用。应将拐角处理成圆形以降低电场集中程度，电场集中可能会增加传感器焊盘静电放电（ ESD）的发生率。

标准按钮形状

图 3

如果需要，也可以对电极使用排线图案（例如网格方式填充）。网格越小密度越小，传感器电极的负载电容，但也会减小与触摸相互作用的区域，导致灵敏度成比例下降。所以使用网格类型方式填充，要尽量能让网格按照50%以上的填充方式来填充。如下参考所示：

图 4

触摸传感器的电极应足够大，以致无需精确形成接触点即可激活传感器。如果传感器电极小于用户的指尖，则灵敏度会因有效面积较小而降低。例如，对于具有 8 mm 接触点的 8 mm 触摸传感器，仅当直接在电极中心形成接触点时，才会产生最大增量。

8mm触摸传感器

图 5

增大传感器的尺寸后，用户可以在传感器区域上的任何位置产生接触点，而不会降低灵敏度。接触点的有效平行面积受用户指尖大小的限制，而不受传感器面积的限制。

12mm触摸传感器

图 6

过大的传感器电极会存在的问题点：

1）大的传感器电极会在指尖接触之前与正在接近的手形成耦合，从而出现意外的邻近效应。

2）大的传感器具有较高的寄生电容，如果传感器靠近包含其他传感器的其他放置电路，干扰效应也会响应增强。

3）大传感器负载电容大，时间常数会越大，可能需要更长时间来完成充放电，也可能传感器可能导致灵敏度降低，也可能超出模拟前端补偿电路的范围。

电极间隔：

各传感器电极之间应保持足够的间距，以便在触摸一个按键时不会在相邻按键上引起意外的电容变化，因为这种变化可能会被错误识别另一个接触点。传感器电极之间的建议间距为4mm+ 触摸覆盖层厚度或者保证2倍以上触摸盖板厚度。在许多情况下，要实现密集型UI，必须在传感器大小和传感器间隔之间做出权衡。

推荐触摸按键尺寸：

表 1

2.3滑条传感器设计

滑条由排成一行的两个或多个触摸传感器电极组成，这些电极以单个传感器的形式进行测量。将测量的触摸增量结合起来确定接触点的位置，同时在传感器之间进行插值来提高分辨率。

滑条设计载体：滑条设计载体一般是使用ITO膜，PCB铜箔，导电绵，FPC等材料，设计的时候，感应区域一定要要紧贴盖板，才能保证滑条触摸一致性。

图 7

使用大型传感器而不进行空间插值会导致报告的触摸位置与实际位置的一致性变差。当接触点沿滑动条移动时，大多数情况下，四个电极中只有一个上存在接触点。只有当接触点从一个传感器跨越到另一个传感器时，才可以进行位置插值。从如上种类来看，我们可以设计两种结构滑条，即按键滑条和插值滑条。

按键滑条：利用感应电极的各自按照要求的排列成条状。通过采集各个按键状态，搭配一定的逻辑算法来获取滑条的位置的信息。

图 8

获取滑条解析度：（2N – 1），通道越多，获取解析度越大。 N:按键通道数。当需要获取更高的滑条解析度，则需要更多触摸感应通道才能实现。

图 9

但是，这并不总是最佳解决方案。对于较长的滑动条，所需的传感器电极数量可能会超过触摸传感器控制器支持的数量，或者需要更长的时间才能完成测量，从而导致触摸延时无法接受。

按键滑条优缺点：

优点：按键处理逻辑快速，物理结构定位，定位精准，实现简单。

缺点：获取高解析度需要按键数量多，且滑条结构较长，高解析无法处理，响应速度会慢。

一般按键滑条适用于较短的滑条结构，响应速度快，且解析度要求不高产品应用。

按键滑条结构设计

滑条的每个感应PAD既有自己自电容，也有与相邻按电极之间存在互电容，在特定的滑条设计，实现良好的滑动效果，需要按照特定的规则实现。

传感器电极之间的建议间隔取决于电极的尺寸及其重叠长度。对于由小按键组成且按键的滑动条，电极之间的间隔应为 0.5 mm。当接触位置从一个元件移动到下一个元件时，这将改善触摸增量的一致性，而不会减小两个元件之间的触摸增量。

小按键组成按键滑条，电极之间间隔0.5mm，有助于按键之间衔接，及触摸滑条一致性效果。每个按键长度一般4mm-8mm，宽度为8mm~20mm。

8通道按键滑条

图 10

插值滑条

利用感应PAD之间呈锯齿状交互排列。通过采集各个触摸通道的电容变化值，搭配固定的逻辑算法来实现滑条的位置信息

图 11

获取差值滑条解析度一般是有软件的设计决定，按键通道一般 >=3个。

插值滑条优缺点：

优点：能获取高解析度，按键需求数量少，最少只需要三个即可，响应速度快。

缺点：电容触摸处理复杂，结构设计复杂。

插值滑条结构设计

插值滑条按键之间重叠度会比较大，且结构越长滑条对应的感应单元就越大，避免传感器之间寄生电容较大，间隔可以适当增大。

图 12

与按键传感器设计一样，应将滑条电极中的尖角处理成圆形，以最大程度地降低对 ESD 的敏感性。形成插值滑动条的三角形的点应截断为直径约 2 mm 的圆头。

滑条尺寸

对于由感应盘长度较长的大电极组成的滑条，必须增大传感器电极的间隔，以避免传感器负载电容过大。在此类设计中，间隔可以增加到 1 mm 或更大值。

电极必须彼此靠近才能获得连续的灵敏度，但间隔太小会导致负载电容增加，因为每个传感器电极都会对其相邻电极产生寄生负载。如果由于扩展插值而在电极之间形成较长的平行边缘，则间距应增加到最大值 1.5 mm。

按键滑条尺寸

表 2

插值滑条尺寸

表 3

2.4 滚轮传感器设计

滚轮传感器由排成一圈的三个或更多传感器电极组成。滚轮传感器的工作方式与滑条传感器相同，惟一的例外是它从通道 n 绕到通道 0，因此在此设计中没有端电极。与滑条一样，最简单的实现是将按钮排成一圈。至少使用三个电极。

按键滚轮

利用感应电极的各自按照要求的排列成圆环状。通过采集各个按键状态，搭配一定的逻辑算法来获取滚轮的角度的信息。

图 13

像滑条一样，可以通过增加使用的传感器按键数量或通过提高段插值来实现更大的滚轮。实现方式同样有两种类型，按键滚轮和插值滚轮。

图 14

假设滚轮总的角度 360°，如上对应感应单元的数量，解析度= S/（8*2），对应解析角度22.5°。

按键滚轮优缺点：

优点：按键处理逻辑快速，物理结构定位，定位精准，实现简单。

缺点：获取高解析度需要按键数量多，且滚轮结构较大，高解析度无法处理，响应速度会慢。

按键滑条结构设计

小按键组成按键滚轮，电极之间间隔0.5mm，有助于按键之间衔接，及触摸滚轮各个位置一致性效果。每个按键宽度为8mm~20mm。

图 15

插值滚轮

利用感应PAD之间呈锯齿状交互排列。通过采集各个触摸通道的电容变化值，搭配固定的逻辑算法来实现滑条的角度信息。

图 16

获取滚轮解析度：由设计的软件决定，一般设计360°按键通道一般为大于>=3。

插值滚轮优缺点：

优点：能获取高解析度，按键需求数量少，最少只需要三个即可，响应速度快。

缺点：电容触摸处理复杂，结构设计复杂。

插值滚轮结构设计

插值滑条按键之间重叠度会比较大，且结构越大滚轮对应的感应单元就越大，避免传感器之间寄生电容较大，间隔可以适当增大。

图 17

与其他传感器一样，需要将电极中的尖角处理成圆形，以最大程度地降低对 ESD 的敏感性。形成插值的三角形的点应截断为直径约 2 mm 的圆头。

滚轮尺寸

滚轮电极必须彼此靠近才能获得连续的灵敏度，但间隔太小会导致负载电容增加，因为每个传感器电极都会对其相邻电极产生寄生负载。如果由于扩展插值而在电极之间形成较长的平行边缘，则间距应增加到最大值 1.5 mm。

按键滚轮尺寸

表 4

插值滚轮尺寸

表 5

三、电容按键传感器

触摸按键材料及形状

触摸按键可以是任何形状的导体，中间可以留孔或者镂空，但要保证一定的平面面积。建议使用直径大于12mm 的圆形或者方形，注意避免尖端效应。触摸感应盘可以用 PCB 铜箔、金属片、平顶圆柱弹簧、导电棉、导电油墨、导电橡胶、导电玻璃的 ITO 层等。如图所示：

图 18 按键感应盘可以是实心或中空的矩形、圆形，多边形

触摸感应盘的尺寸

触摸感应盘的尺寸大小：最小4mmX4mm, 最大30mmX30mm。实际面积大小根据灵敏度的需求而定，面积大小和灵敏度成正比。一般来说，按键感应盘的直径要大于面板厚度的4倍，并且增大电极的尺寸，可以提高信噪比。各个感应盘的形状、面积应该相同，以保证灵敏度一致。通常，在绝大多数应用里，12mmX12mm是个典型值。

触摸电极和触摸面板的连接方式

（1）当用PCB的铜箔做触摸电极时，直接将触摸电极用两面胶粘在触摸面板上。

（2）使用带弹簧的贴片做触摸电极，必须将触摸电极顶在面板上。

（3）使用导电橡胶或导电棉，导电橡胶或导电棉底端粘在PCB的铜箔上，顶端作为感应盘紧贴在面板上。

（4）导电油墨或ITO做成柔性PCB，插在触摸端口的接口里。

触摸盖板效果及选择

较厚的触摸盖板会增大用户手指和传感器电极之间的距离。这会导致用户和传感器电极之间的电容减小，并使触摸灵敏度成比例降低。这种情况可以通过增大电极的尺寸进行补偿。较厚的触摸覆盖层还会扩散手指周边和电极之间形成的电场，因此较大的电极可以有效地增大接触面积。

为了获得最高的灵敏度，每个传感器电极都应设计为延伸到接触点范围以外，超出部分至少应达到触摸盖板的厚度。

触摸盖板必须选择面板必须选用绝缘材料，可以是玻璃、聚苯乙烯、聚氯乙烯（pvc）、尼龙、树脂玻璃等。在生产过程中，要保持盖板的材质和厚度不变，盖板的表面喷涂必须使用绝缘的油漆。在触摸感应盘面积一定的情况下，触摸盖板的厚度和材质决定灵敏度。影响触摸盖板灵敏度主要由盖板介电常数所决定。

通常面板厚度设置在 0~10MM 之间。不同的材料对应着不同的典型厚度，按键感应盘表面要平整，且必须紧密贴在面板上，中间不能有空气间隙（空气的介电常数为1）。在实际应用的时候，客户根据实际需要，找到理想的折中值。下面的表格是传感器电极大小和不同材质面板厚度的推荐值：

表 6

四、布板规则

4.1电源

直流稳压器

SC系列触摸芯片通过测量电容的微小变化反应触摸输出，因此要求电源的纹波和噪声要小，要注意避免由电源串入的外界强干扰。尤其应用于电磁炉、微波炉时，必须能有效隔离外部干扰及电压突变，因此要求电源有较高稳定度。建议采用如下图所示的 7805 组成的稳压电路。

图 19 7805 组成的稳压电路

在 PCB 排版时，如果环境较恶劣，建议预留上图中电感 T1 焊盘，应对电磁炉等高噪声的干扰。在普通的应用中，可以不需要此电感。

稳压器件的放置

PCB LAYOUT 的时候， 7805 电源组器件尽量靠近芯片的 VDD 和 GND 管脚。 7805 电源组器件尽量与触摸芯片放在同一电路板上，并集中放置，杜绝电源连线过长带来噪声。

高噪声条件下的注意事项

在高噪声环境应用时，应避免高压(220V)、大电流、高频率操作的主板与触摸电路板上下重叠安置。如无法避免，应尽量远离高压大电流的器件区域或在主板上加屏蔽。

使用主机的 5V 电源

如果用户直接使用主机的 5V 电源，要接如下图的滤波电路，滤波电路中的 C3 电容和 C2 电容的放置规则和上面相同。

图 20

4.2 触摸感应电路 PCB 的设计

电源线的布线设计

触摸芯片属于模拟敏感器件，同一系统的别的子单元的的电路要避免影响到触摸部分的电路，触摸电路的 VCC 电源线要单独走线，线长尽量短，走线要适当加粗。最好的 VCC 电源线布局如下图所示。

图 21 VCC 电源线布局

接地

触摸芯片的地线不要和其他电路共用，最好单独连到板子电源出入的接地点，也就是通常说的“星形接地”。电路的数字和模拟部分的电源和地分开用星型接法连接。

图 22

触摸应用电路外围元器件的布线设计

1）触摸芯片的退耦电容， CMOD 电容， CDC 电容及触摸限流电阻尽量要紧靠芯片放置，走线距离尽量短。

2）芯片和触摸 PAD 的位置。尽量将芯片放在各触摸 PAD 的中心位置，使芯片每个感应通道的触摸线之间距离差异最小。好的和坏的布局方式如图所示：

图 23

走线

1）双面板走线。如果直接使用 PCB 板上的铜箔做触摸 PAD，应使用双面PCB 板，触摸芯片和其他器件放在 TOP 层，触摸 PAD 放在 BOTTOM 层，安装时，触摸面板紧贴在触摸 PAD 上。

2）单面板走线。如果用弹簧或其他导电物体做触摸 PAD，为了成本的考虑，可以用单面 PCB 板。用单面 PCB 板时，要合理布局，尽量少走跳线。

3）线宽。如果 PCB 工艺允许，触摸线应该尽量细，双面板推荐 5MIL~10MIL的线宽，单面板 10MIL~15MIL。

4）触摸线走线规则。触摸线不要跨越其他信号线，也不能彼此交叉跨越，尤其不能跨越强干扰、高频的信号线。感应线周围0.5MM不要走其他信号线。好的和坏的走线方式如图所示：

图 24

4.3 触摸感应电路 PCB 的设计

触摸 IC 及其相关的外围电路要铺地，可以有效提高产品抗干扰能力。铺地的注意要点如下：

（1）触摸PAD与铺地的距离推荐1.5MM~2.0MM之间，在这个距离区间内，可以有效平衡系统的抗干扰度和触摸的灵敏度。

图 25 触摸PAD离铺地1.5MM以上

（2）触摸PAD周围要铺地，触摸PAD正对反面的铺地要做镂空处理，减少寄生电容，改善灵敏度，且要尽量不要放置其他器件或者存在大面积铜箔，不走其他高频信号。

图 26 触摸PAD正背面镂空

（3）触摸信号线离铺地距离保持在15mil以上，且相邻触摸信号线之间也要尽量保持在15mil以上，避免产生串扰。如下图所示：

图 27 触摸信号线距离铺地及相邻触摸信号线保持15mil以上

（4）建议触摸IC及其相关的外围电路要用实铜铺地，增强芯片本身的抗干扰能力。

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全部评论（1）

terrydl Lv9. 科学家 2021-10-14

学习了

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