觸覺(jué)是許多動(dòng)物和一些植物的重要感覺(jué)通道，例如我們的手觸摸某物時(shí)，我們的感官會(huì)有反應(yīng)。不過(guò)對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，其輸入設(shè)備與人類接觸無(wú)關(guān)，因?yàn)樵谶M(jìn)行、保持或中斷物理接觸(如觸摸或釋放)時(shí)，它不會(huì)沒(méi)有反應(yīng)。

正因如此，觸摸感應(yīng)輸入設(shè)備為新穎的交互技術(shù)提供了許多可能性。其中，觸摸傳感器技術(shù)正在慢慢取代鼠標(biāo)和鍵盤(pán)等機(jī)械物體。觸摸傳感器在不依賴物理接觸的情況下檢測(cè)觸摸或接近。觸摸傳感器正在進(jìn)入許多應(yīng)用，如手機(jī)、遙控器、控制面板等。更重要的是，當(dāng)前的觸摸傳感器可以取代機(jī)械按鈕和開(kāi)關(guān)。

帶有簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)滑塊、觸摸板和旋轉(zhuǎn)輪的觸摸傳感器為更直觀的用戶界面提供了顯著優(yōu)勢(shì)。觸摸傳感器在沒(méi)有移動(dòng)部件的情況下使用起來(lái)更方便、更可靠。觸摸傳感器的使用為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了極大的自由度，有助于降低系統(tǒng)的總體成本，并且整體外觀可以更具吸引力和現(xiàn)代感。

工作原理

觸摸傳感器也稱為觸覺(jué)傳感器，對(duì)觸摸、力或壓力敏感，它們是最簡(jiǎn)單和有用的傳感器之一。觸摸傳感器的工作類似于簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，當(dāng)與觸摸傳感器的表面接觸時(shí)，傳感器內(nèi)部的電路閉合并且有電流流動(dòng)。當(dāng)觸點(diǎn)松開(kāi)時(shí)，電路斷開(kāi)，沒(méi)有電流流過(guò)。其工作示意圖如下所示：

主要類型

1、電容式觸摸傳感器

電容式觸摸傳感器廣泛應(yīng)用于大多數(shù)便攜式設(shè)備，如手機(jī)和MP3播放器。電容式觸摸傳感器甚至可以在家用電器、汽車和工業(yè)應(yīng)用中找到，主要原因是得益于它的耐用性、堅(jiān)固性及具有有吸引力的外觀設(shè)計(jì)。

與機(jī)械設(shè)備不同，觸摸傳感器不包含移動(dòng)部件，因此它們比機(jī)械輸入設(shè)備更耐用。觸摸傳感器堅(jiān)固耐用，因?yàn)闆](méi)有濕氣和灰塵進(jìn)入的開(kāi)口。

下面簡(jiǎn)單解釋電容式觸摸傳感器的原理。

最簡(jiǎn)單的電容器可以由兩個(gè)由絕緣體隔開(kāi)的導(dǎo)體制成，金屬板可被視為導(dǎo)體，電容的公式如下所示：

C = ε 0 * ε r * A / d

其中：ε0是自由空間的介電常數(shù)、εr是相對(duì)介電常數(shù)或介電常數(shù)、A是板塊的面積，d是板塊之間的距離。

電容與面積成正比，與距離成反比。

在電容式觸摸傳感器中，電極代表電容器的極板之一。第二塊板由兩個(gè)物體表示：一個(gè)是傳感器電極的環(huán)境，形成寄生電容C0 ，另一個(gè)是像人手指這樣的導(dǎo)電物體，形成觸摸電容CT。

傳感器電極連接到測(cè)量電路并定期測(cè)量電容。如果導(dǎo)電物體接觸或接近傳感器電極，輸出電容會(huì)增加，測(cè)量電路將檢測(cè)電容的變化并將其轉(zhuǎn)換為觸發(fā)信號(hào)，其工作原理如下圖所示：

如果傳感器電極的面積越大，覆蓋材料的厚度越小，觸摸電容CT也越大。結(jié)果，觸摸板和未觸摸的傳感器板之間的電容差異也很大。這意味著傳感器電極和覆蓋材料的尺寸會(huì)影響傳感器的靈敏度。

電容測(cè)量用于許多應(yīng)用，例如確定距離、壓力、加速度等，而電容式觸摸傳感器是其另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。測(cè)量電容有多種方法，常見(jiàn)的包括幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、時(shí)間延遲測(cè)量、占空比等。

在電容式觸摸傳感器的情況下，導(dǎo)電材料的存在足以觸發(fā)負(fù)載并且不需要任何力。因此，在電容式觸摸傳感器的情況下，錯(cuò)誤或意外觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)更高。這個(gè)問(wèn)題更多是在存在濕氣或水的情況下，因?yàn)樗鼈兌际潜容^好的導(dǎo)體。

另外，觸摸傳感器中電容的測(cè)量方法需要一個(gè)位于感應(yīng)墊附近的參考平面。在電容式觸摸傳感器中，手指跳閘會(huì)在感應(yīng)電極和參考平面之間形成電容，這是因?yàn)槿梭w的皮膚油脂或汗液可能會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)。所以，為了區(qū)分有意觸摸和錯(cuò)誤觸摸，使用了額外的感應(yīng)墊或軟件算法。最好的解決辦法是去掉參考接地電極。

目前電容式觸摸傳感器有兩種類型，分別如下：

表面電容式感應(yīng);在表面電容傳感中，絕緣體在其表面的一側(cè)涂有導(dǎo)電涂層。在該導(dǎo)電涂層的頂部，涂上一層薄薄的絕緣體。電流施加到導(dǎo)電涂層的所有角落。當(dāng)像人手指這樣的外部導(dǎo)體與表面接觸時(shí)，它們之間會(huì)形成電容，并從角落吸收更多電流。測(cè)量每個(gè)角落的電流，它們的比率將決定觸摸在表面上的位置。

投射電容式感應(yīng);在投射電容感應(yīng)中，整個(gè)表面不帶電，而是在兩種絕緣材料之間放置一個(gè) X-Y導(dǎo)電材料網(wǎng)格。網(wǎng)格通常由PCB上的銅或金或玻璃上的氧化銦錫制成，IC用于充電和監(jiān)控電網(wǎng)。當(dāng)外部導(dǎo)電物體(如手指)從網(wǎng)格上的某個(gè)區(qū)域拉出電荷時(shí)，IC會(huì)計(jì)算手指在觸摸表面上的位置。由投射電容技術(shù)制成的觸摸傳感器可用于感應(yīng)未觸摸其表面的手指。

2、電阻式觸摸傳感器

電阻式觸摸傳感器的使用時(shí)間比電容式觸摸傳感器更長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈兪呛?jiǎn)單的控制電路。電阻式觸摸傳感器不依賴于電容的電氣特性，因此，電阻式觸摸傳感器可以適應(yīng)非導(dǎo)電材料，如觸控筆和手套包裹的手指。

與測(cè)量電容的電容式觸摸傳感器相比，電阻式觸摸傳感器感應(yīng)表面上的壓力。

電阻式觸摸傳感器由兩個(gè)由小間隔點(diǎn)隔開(kāi)的導(dǎo)電層組成。底層由玻璃或薄膜制成，頂層由薄膜制成。導(dǎo)電材料涂有金屬薄膜，一般為氧化銦錫，本質(zhì)上是透明的。在導(dǎo)體表面施加電壓。

當(dāng)使用任何探針(如手指、觸控筆、鋼筆等)在傳感器的頂部薄膜上施加壓力時(shí)，它會(huì)激活傳感器。當(dāng)施加足夠的壓力時(shí)，頂部薄膜向內(nèi)彎曲并與底部薄膜接觸。這會(huì)導(dǎo)致電壓降，并且接觸點(diǎn)會(huì)在X – Y方向上創(chuàng)建一個(gè)分壓器網(wǎng)絡(luò)。

該電壓和電壓變化由控制器檢測(cè)，并根據(jù)觸摸的 X-Y 坐標(biāo)計(jì)算施加壓力的觸摸位置。可以使用下圖解釋電阻式觸摸傳感器的功能：

在電阻式觸摸傳感器的工作中，接觸電極的物體的電阻會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。例如，當(dāng)手指接觸表面時(shí)，手指的小電阻允許一些電流流過(guò)它，從而完成一個(gè)電路。晶體管充當(dāng)開(kāi)關(guān)。電阻器Rp用于保護(hù)晶體管免受任何可能的電極短路的影響。電阻器Rb用于在電路開(kāi)路時(shí)保持基極接地，即沒(méi)有手指的情況下。

當(dāng)兩個(gè)電極都被觸摸時(shí)，小電流流過(guò)手指，晶體管導(dǎo)通，因此負(fù)載變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)。一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻式觸摸敏感電路如下所示：

它由兩個(gè)電極、兩個(gè)以達(dá)林頓配置連接的晶體管、一個(gè)電阻器和一個(gè)LED組成。當(dāng)手指放在電極上時(shí)，電路完成并發(fā)生電流放大。電阻器用于限制流向LED的電流量。

電阻式觸摸傳感器分為三種類型：4線、5線和8線。

4線電阻式觸摸傳感器最具成本效益。5線電阻式觸摸傳感器最耐用，它們類似于4線傳感器，只是這種類型的所有電極都位于底層。5線傳感器的頂層用作電壓測(cè)量探頭，由于這種類型的結(jié)構(gòu)，5線電阻式觸摸傳感器允許更多的驅(qū)動(dòng)次數(shù)。

在8線電阻式觸摸傳感器中，傳感器的每個(gè)邊緣都提供一條感應(yīng)線，這些感應(yīng)線充當(dāng)觸摸控制器的穩(wěn)定電壓梯度。這些感應(yīng)線將觸摸區(qū)域的實(shí)際基線電壓電平報(bào)告給控制器，它們是最精確的電阻式觸摸傳感器。

手指、觸控筆、鋼筆、戴手套的手指等任何物體都用于對(duì)電阻式觸摸傳感器施加壓力，它們大多用于惡劣的環(huán)境。但是電阻式觸摸傳感器的響應(yīng)時(shí)間小于電容式觸摸傳感器。因此，電容式觸摸傳感器正在慢慢取代它們。

總結(jié)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，觸摸傳感器是一種捕獲和記錄設(shè)備和/或物體上的物理觸摸設(shè)備，它通常可以將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，從而產(chǎn)生控制作用。觸摸傳感器也稱之為觸摸檢測(cè)器或觸覺(jué)傳感器。