01 基礎(chǔ)原理

電容原理：電容是指兩個(gè)由絕緣材料隔開的導(dǎo)電體之間存儲(chǔ)電荷的能力。電容感應(yīng)技術(shù)不僅適用于人體觸摸，也能廣泛用于探測(cè)各類材料和物體。根據(jù)平行板電容的原理，電容的變化正比于電極的面積和介電常數(shù)，而與電極之間的距離成反比。

工作機(jī)制：電容傳感器通過測(cè)量?jī)蓪?dǎo)電物體間電容的變化來檢測(cè)觸摸或接近事件。當(dāng)手指或其他物體靠近時(shí)，會(huì)改變電場(chǎng)分布，導(dǎo)致電容增加或減少。這種變化通過電容的等效電路模型來表示，涉及多種電容類型。

測(cè)量方法：電容傳感通常采用電荷轉(zhuǎn)移法，通過重復(fù)充電將電荷從傳感電極轉(zhuǎn)移至采樣電容，并記錄這些充電次數(shù)。通過觀察充電次數(shù)的變化，可以探測(cè)到電容的微小變化。例如，設(shè)想一個(gè)較小的容器（代表可變電容）被充滿液體（象征電荷），然后將其內(nèi)容物轉(zhuǎn)移至一個(gè)較大的容器（對(duì)應(yīng)固定電容）中。需要填滿較大容器的次數(shù)反映了較小容器的容量。當(dāng)這個(gè)次數(shù)發(fā)生變化時(shí)，就意味著較小容器的容量發(fā)生了變化，從而能夠檢測(cè)到觸摸或其他互動(dòng)事件。

另外兩種電容測(cè)量方法包括弛豫振蕩器法和固定頻率交流信號(hào)法：弛豫振蕩器將電容的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，通過監(jiān)控振蕩頻率的變化可以間接測(cè)量電容的改變；固定頻率交流信號(hào)法則是利用一個(gè)已知電容和一個(gè)未知電容，在固定頻率的交流信號(hào)作用下，電容的變化會(huì)導(dǎo)致電壓的差異。通過比較已知電容和未知電容引起的電壓變化，可以測(cè)量出電容的變化。

02 分類與應(yīng)用

自電容與互電容：自電容傳感器主要通過檢測(cè)單個(gè)電極相對(duì)于地面的電容變化來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的觸摸識(shí)別。而互電容傳感器則通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間的電容變化，更適用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多點(diǎn)觸控功能。

自電容的測(cè)量重點(diǎn)在于監(jiān)測(cè)電極與地面之間電容的變化，這一變化通常在1到10皮法之間。在大型應(yīng)用中，采用環(huán)形設(shè)計(jì)能夠減少整體電容，并擴(kuò)大檢測(cè)范圍。而對(duì)于小型應(yīng)用，建議采用單一的實(shí)心電極板以滿足檢測(cè)需求。

互電容技術(shù)依靠?jī)蓚€(gè)獨(dú)立電極結(jié)構(gòu)——發(fā)送電極（Tx）和接收電極（Rx）——來識(shí)別觸摸，這要求將它們分別連接至微控制器的兩個(gè)引腳上。當(dāng)用戶的手指觸碰到Tx和Rx電極交叉點(diǎn)時(shí)，會(huì)擾動(dòng)兩電極間的電場(chǎng)，造成互電容的減少，相當(dāng)于在兩電極之間引入了一個(gè)接地效應(yīng)。這樣引發(fā)的互電容變化量通常不超過1pF。

03 設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

設(shè)計(jì)目標(biāo)：傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于平衡感應(yīng)范圍和系統(tǒng)穩(wěn)定性，以提升靈敏度和準(zhǔn)確性。目標(biāo)是在觸摸時(shí)最大化電容增量（CTouch）并最小化寄生電容。這要求精細(xì)設(shè)計(jì)電極的形狀和大小，并挑選合適的覆蓋層材料及厚度。 ?

電極設(shè)計(jì)：電極的形狀和面積對(duì)于最大化信號(hào)至關(guān)重要。傳感器的尺寸越大，與目標(biāo)物體的接觸面積越廣，其感應(yīng)范圍也就越廣。未加屏蔽的接近傳感器能提供廣泛的360度感應(yīng)范圍，但接地結(jié)構(gòu)的干擾可能降低其靈敏度。

接地結(jié)構(gòu)的存在會(huì)使電極發(fā)射的電場(chǎng)線主要聚集在電極與接地之間，限制電場(chǎng)的方向和防止從不期望的角度觸發(fā)傳感器是必要的。為此，可以采納接地屏蔽或驅(qū)動(dòng)屏蔽技術(shù)。

接地屏蔽：接地屏蔽通過在傳感器背面增加接地層來阻止電場(chǎng)向該方向擴(kuò)散，但此舉會(huì)縮短感應(yīng)距離，因?yàn)樗肓祟~外的寄生電容，同時(shí)地面會(huì)吸收周圍的電場(chǎng)線。

驅(qū)動(dòng)屏蔽：驅(qū)動(dòng)屏蔽技術(shù)在傳感器下方添加一層導(dǎo)電層，該層攜帶與傳感器相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過配置為電壓跟隨器的運(yùn)算放大器來維持電位差為零。當(dāng)傳感器與屏蔽層的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位和電位一致時(shí)，兩電極間將不形成電場(chǎng)。此外，屏蔽層會(huì)把傳感器的電場(chǎng)推至其前方，達(dá)到有效的屏蔽效果。這樣不僅減少了寄生電容的干擾，還保持了傳感器對(duì)接近物體的高敏感度，從而提高了信噪比。

降低寄生和干擾：為了增強(qiáng)充放電效率，電極和走線設(shè)計(jì)上需采用低電阻率材料。然而，系統(tǒng)內(nèi)的寄生電容會(huì)削弱觸摸引起的電容變化，導(dǎo)致電容變化難以精確測(cè)量。例如，在20pF寄生電容的條件下，觸摸可能引起電容變化高達(dá)25%，但若寄生電容增至100pF，觸摸引起的變化僅有5%。為減少寄生電容的影響，我們需要擴(kuò)大走線與接地層之間的距離，并可采用鏤空接地設(shè)計(jì)以進(jìn)一步優(yōu)化性能。

對(duì)于應(yīng)用較大電極的場(chǎng)景，比如接近感應(yīng)，走線的最大長(zhǎng)度需控制在120毫米以內(nèi)，同時(shí)走線應(yīng)保持盡可能的細(xì)度。在設(shè)計(jì)互電容系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)避免讓發(fā)送（TX）和接收（RX）的走線靠得太近，以防止檢測(cè)距離受到影響。

覆蓋層：覆蓋層設(shè)計(jì)既能增強(qiáng)外觀和保護(hù)性，也會(huì)對(duì)靈敏度產(chǎn)生影響，因此需謹(jǐn)慎選擇非金屬材料。覆蓋層的厚度和介電常數(shù)直接決定了電場(chǎng)的傳導(dǎo)效率，使用高介電常數(shù)的材料可以減輕厚覆蓋層對(duì)靈敏度的負(fù)面影響。對(duì)于空氣間隙這類低介電常數(shù)情況，使用特定的橋接材料是必要的，其效果從優(yōu)到劣依次為：金屬彈簧、導(dǎo)電泡沫、碳纖維、聚碳酸酯、ABS、硅膠。

在自電容傳感應(yīng)用中，使用較薄的覆蓋層可以獲得更高的靈敏度。而在互電容應(yīng)用中，適度增加覆蓋層的厚度能夠在某種程度上增強(qiáng)靈敏度。對(duì)比不同材料的特性，我們發(fā)現(xiàn)FPC的溫度漂移相對(duì)較大，而LDS技術(shù)的溫度漂移則較小。

供電方式：供電方式顯著影響接近檢測(cè)的靈敏度，特別是在電池供電的系統(tǒng)中，設(shè)備與地球之間的耦合度降低。例如，在下圖所示的電容閉環(huán)中，由觸摸傳感器的人體（C1）、電極與電路模塊路徑（C3，表示模塊與地球的耦合）以及人體與地球的耦合（C2）共同構(gòu)成。此時(shí)，由于C3相對(duì)較小，會(huì)削弱C1的檢測(cè)效果。為了增強(qiáng)電池供電系統(tǒng)的檢測(cè)性能，可以通過增加系統(tǒng)的接地面積或采用物理接地方式來加強(qiáng)設(shè)備與地球之間的耦合，從而增大C3的值。

市電供電系統(tǒng)由于與地球共享接地，因此展現(xiàn)出更高的靈敏度。在這種系統(tǒng)中，由于不需要模塊與地球之間的電容耦合（C3），因此參考系統(tǒng)更為穩(wěn)定（僅涉及一個(gè)變量電容：C1）。因此，在良好接地的系統(tǒng)中，相比于電池供電設(shè)備，靈敏度更高，從而C1的細(xì)微變化可以被更容易地偵測(cè)到。

04 技術(shù)挑戰(zhàn)與未來趨勢(shì) ? 技術(shù)挑戰(zhàn)：隨著設(shè)備趨向于更加輕薄的設(shè)計(jì)，如何在有限空間內(nèi)維持高性能成為電容傳感器面臨的重大挑戰(zhàn)。 ? ? 電源方式的影響：傳感器的靈敏度受到電源供電方式的顯著影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮優(yōu)化電容耦合，以提升檢測(cè)性能。 ? 未來趨勢(shì)：得益于低成本優(yōu)勢(shì)，電容傳感技術(shù)正朝著更高靈敏度、更小尺寸和更低功耗的方向發(fā)展，這預(yù)示著未來將出現(xiàn)更多創(chuàng)新的應(yīng)用和設(shè)備。 ? ?

? ? ? 05 參考資料 [1].?Microchip Capacitive Proximity Design Guide-Microchip [2].?CapTIvate Technology Guide-TI [3]. Capacitive Sensing Design Guide-Azoteq? ?

審核編輯：黃飛