面向手持移动设备的触摸传感技术解析

　　智能手机等新型消费电子产品使得触摸屏开始风靡，触摸传感器提供方便的控制方式，几乎可用于控制任何类型的设备。

　　触摸传感控制器目前提供一些通用的性能选项和形态，如滑块和邻近传感器。触摸传感器技术的进步使传感器驱动型接口更易于实现，对终端用户更为直观和简单。

　　大多数触摸传感控制器依据所检测到的电容变化来工作（见图1）——当某种物体或某个人接近或触摸传感器的导电金属片时，手指与金属片之间的电容发生变化。导电物体（如手指）在传感器附近移动将改变电容传感器的电场线并使电容发生变化。控制电路可测出电容的变化。

　　工业应用系统从多年前开始就使用这种电容检测技术来测量液位、湿度和材料成份。这种从这些应用发展而来的技术逐渐演化成人机接口。

　　触摸传感器接口通常通过测量与传感器垫片相连的电路的阻抗来检测电容变化。触摸控制器周期性地测量传感器输入通道的阻抗并用这些值来导出一个内部基准，即校准阻抗。控制器以这个阻抗值为基础判定是否发生了触摸事件。

　　下面的简化公式表明了手指逼近对触摸垫片电容产生的主要影响。这个公式可用于确定传感器垫片的电容和强度。

　　

　　* 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。

　　MCU接口

　　不管使用模拟方法还是数字方法，触摸传感器控制器都可以使用简单的SPI或I（SUP/）2（/SUP）C接口与微控制器相连。MCU（主）通常以主从模式与触摸传感器控制器（从）进行数据交换。

　　如果MCU没有这样的串行接口，可以使用软件模拟串行接口的方法，但这种方法增加了存储器和性能的开销。把触摸传感器控制器与微控制器集成在一起的芯片已在不久前上市。

　　消费电子、家庭自动化和工业要求

　　相对于传统机械按钮、滑块、转轮和开关，触摸传感器控制提供了灵活、可靠且高性价比的替代方案。

　　最新的触摸传感器为设计者发挥其创造性创造了条件，设计者在开发接口时可隐藏或露出按钮、或采用其他形态触摸板的模式。表2和图4显示了不同的传感器形状和应用。

　　

　　图4：滑块、滚轮、触摸按钮和临近传感应用的例子。

　　

　　表2：各种应用的触摸控制方案。

　　临近触摸控制对只要求一或两个按钮的简单接口提供了一种有吸引力的替代方案。临近传感器易于整合进最终的产品设计中，并具有功耗低和寿命长等长期优势。

　　金属门把手是一种理想的临近传感器应用。极为敏感的传感器可以检测到是否有手在接近门把手，系统在检测到接近行为后会给需要大功率的安防硬件通电。作为汽车报警系统的一部分，系统可把每次临近检测记录下来并通知车主（或许可通过手机）有人多次试图拉开车门。

　　当金属物体面积为10mm（SUP/）2（/SUP），覆膜厚度为1mm时，临近传感器可以在距离大于2英寸时检测到手的接近。除了门把手之外，临近触摸还可用于家用电器、MP3 播放器、遥控器和移动电话。

　　复杂的LCD触摸屏方案

　　触摸传感器谱系的一端是简单的临近传感器，另一端是复杂的触控LCD，为许多常见产品提供了高端感觉。

　　最值得一提的是，苹果公司的iPod和iPhone等产品已急剧提升了消费者的期望。从GPS设备和通用遥控器到数字相框和连网型冰箱和洗衣机，类似的触摸屏技术可以增强各种电子产品的功能。

　　电话和GPS设备等紧凑型设备可使用灵活的触摸传感器PCB作为显示器的外层。在这些应用中，容性触摸模块可使用氧化铟锡（ITO）层在玻璃或塑料屏上实现透明的传感器垫片和引线（见图5）。

　　

　　图5：使用FMA1127实现的触摸屏及PCB和触摸屏的叠层安排。利用TDC比较由检测电容形成RC延时线与基准RC延时线的延时差别。使用差动信号消除或降低了相关/相干噪声源的影响，无需地层。

　　其他应用还包括用来控制显示器开启的触摸检测传感器。当检测不到触摸时，显示器关断，从而可以最大限度地降低系统功耗。

　　触摸技术的发展趋势

　　由于没有活动部件且易于适应曲面外形，触摸传感器开关是汽车应用的理想选择。但汽车应用对触摸技术提出了更高的要求，汽车制造商要求提供成本低、工作温度宽的汽车级触摸传感器控制器。

　　关键是降低触摸传感器方案的总实现成本。价格合适的触摸传感器为汽车设计工程师实现新颖的接口特性提供了条件。

　　任天堂公司的Wii使用了3维定位传感技术。计算机辅助设计领域的一项最新创新是3维鼠标，工程师可在三维空间移动鼠标更直观地对所设计的产品进行控制。

　　另外，微软现正以Microsoft Surface触摸电脑展示其对未来用户接口的展望。该接口使用的触摸技术与iPod相类似，可识别多点接触及实际物体（如画笔），能符合直觉的方式恰当地与接触事件互动。