隨著觸摸屏變得越來(lái)越復(fù)雜，使用它們進(jìn)行設(shè)計(jì)變得更具挑戰(zhàn)性。幸運(yùn)的是，良好設(shè)計(jì)的規(guī)則沒(méi)有改變，并且有許多解決方案可以幫助您應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

人機(jī)界面（HMI）在過(guò)去幾年中經(jīng)歷了一場(chǎng)革命。機(jī)械QWERTY鍵盤(pán)及其相關(guān)鼠標(biāo)不再受到光滑觸摸屏取代的青睞。人們只需要考慮移動(dòng)手機(jī)的發(fā)展，看看制造商如何在放棄鍵盤(pán)時(shí)急于推出具有更大和更好觸摸屏的產(chǎn)品。

觸摸控制多年來(lái)一直用于不那么迷人的應(yīng)用。例如，支持觸摸的鍵盤(pán)在許多家用電器（如微波爐和洗碗機(jī)）中很流行，取代了昂貴且不可靠的機(jī)械鍵盤(pán)。觸摸屏已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)置中，因?yàn)樗鼈兎浅＿m合通常遇到的惡劣操作環(huán)境。除了這些優(yōu)點(diǎn)之外，觸摸屏采用的主要?jiǎng)訖C(jī)之一是機(jī)械部件磨損和損壞使用。例如，雖然鍵盤(pán)和鼠標(biāo)已被證明是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相對(duì)耐用的HMI，但它們最終會(huì)破壞。骯臟，多塵或潮濕的環(huán)境增加了早期失效的可能性，因?yàn)轭w粒和水分會(huì)進(jìn)入機(jī)械部件并加速磨損。最后，鍵盤(pán)和開(kāi)關(guān)幾乎不是最衛(wèi)生的設(shè)備。雖然這對(duì)于工業(yè)或家庭環(huán)境來(lái)說(shuō)可能不是一個(gè)大問(wèn)題，但它肯定是醫(yī)療應(yīng)用中的一個(gè)主要問(wèn)題。

本文將介紹電容式觸摸傳感，這是目前使用的最流行的觸摸屏技術(shù)，以及將描述通過(guò)改善響應(yīng)和最小化錯(cuò)誤觸摸來(lái)改善用戶體驗(yàn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，其中設(shè)備對(duì)靠近傳感器按鈕的手指作出反應(yīng)而不是用戶的刻意觸摸。

電容式觸摸控制基礎(chǔ)知識(shí)

設(shè)計(jì)人員可以使用多種技術(shù)進(jìn)行觸摸控制，包括電感，電阻和電容。每個(gè)都有其優(yōu)點(diǎn)，特別是消除易磨損的機(jī)械部件，但電容式觸摸技術(shù)已被證明是近年來(lái)最受歡迎的。這是因?yàn)樗峁┝藖?lái)自傳感器下方顯示器的更高光傳輸 - 與電阻技術(shù)的80％相比超過(guò)90％ - 這對(duì)于具有明亮，高分辨率屏幕的智能手機(jī)等設(shè)備尤其重要。

其他優(yōu)勢(shì)包括更快響應(yīng)，通過(guò)“低壓”觸摸（例如，手指而不是手寫(xiě)筆）激活，處理多個(gè)觸摸的能力，更大的活動(dòng)區(qū)域以及更少的磨損易感性。

有幾種類型的電容式觸摸傳感器技術(shù)，包括表面電容和投射電容，但都是基于手指的應(yīng)用改變局部區(qū)域的電容這一事實(shí)，使系統(tǒng)的電子設(shè)備能夠檢測(cè)觸摸并確定其在屏幕上的位置。圖1a和1b說(shuō)明了原理。

圖1a：在電容式觸摸屏系統(tǒng)中，傳感器和銅接地之間產(chǎn)生電容（CP）。 “邊緣”電場(chǎng)也穿過(guò)覆蓋層。 （賽普拉斯半導(dǎo)體提供）。

圖1b：沒(méi)有手指存在，傳感器的測(cè)量電容（CX）基本上等于CP。當(dāng)手指存在時(shí)，CX是CP和CF的總和。 （賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供）。

材料和PCB設(shè)計(jì)的選擇對(duì)CP和CF的值有重大影響。我們將看看CP后來(lái)如何受到影響。 CF的值可以通過(guò)以下公式確定：

CF =（ε0εrA）/D

其中：

ε0=自由空間介電常數(shù)

εr=疊加的介電常數(shù)

A =手指和傳感器焊盤(pán)重疊的面積

D =疊加厚度

從公式中可以看出，選擇具有較高介電常數(shù)的覆蓋材料，減小覆蓋層厚度，增加按鈕直徑將提高CF的值并增加系統(tǒng)的靈敏度。

取決于設(shè)計(jì)，CP通常測(cè)量在10到300 pF之間。相比之下，CF更小，可能在0.1到10 pF之間。為了使設(shè)計(jì)人員的生活更加困難，CP（也稱為寄生電容）隨環(huán)境條件（如溫度和濕度）的變化而變化。因此，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是，在應(yīng)用手指時(shí)，盡可能增加整體傳感器電容的百分比 - 換句話說(shuō)，最大化信噪比（SNR） - 以確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別虛假觸摸的真實(shí)觸感。

設(shè)計(jì)觸摸屏PCB

幸運(yùn)的是，有一些硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)工程師提高觸摸屏控制設(shè)計(jì)的SNR。

讓我們開(kāi)始吧通過(guò)考慮PCB。典型的觸摸屏設(shè)計(jì)采用雙層電路板（電路板厚度范圍為0.5至1.6 mm），傳感器焊盤(pán)和陰影接地平面位于頂部，其他所有位于底部（參見(jiàn)圖2）。當(dāng)板面積必須最小化時(shí)，可以使用四層板。

圖2：典型的觸摸屏設(shè)計(jì)，傳感器位于雙層板頂部，組件位于底部。 （賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供）。

使用短而窄的走線可以最大限度地減少寄生電容。痕跡長(zhǎng)度應(yīng)小于300毫米，寬度應(yīng)在0.17至0.20毫米之間。最好將傳感器走線布置在PCB的底層，并使用通孔將每個(gè)傳感器走線連接到相關(guān)的傳感器墊。應(yīng)將通孔放置在焊盤(pán)上，以使傳感器走線長(zhǎng)度最小化（參見(jiàn)圖3）。采用這種布線方法，當(dāng)應(yīng)用手指時(shí)，它只會(huì)與傳感器墊相互作用，而不會(huì)與跡線相互作用。

設(shè)計(jì)人員不應(yīng)將跡線直接布置在任何傳感器墊下，除非跡線連接到該特定傳感器。此外，電容式傳感跡線不應(yīng)與高頻通信線路緊密接觸或平行。如果無(wú)法避免與傳感器走線交叉通信線路，請(qǐng)確保交叉點(diǎn)處于直角

圖3：通過(guò)傳感器板上的位置，使傳感器走線長(zhǎng)度最小化（底層上的跡線，頂層上的傳感器墊）。 （賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供）。

觸摸傳感器設(shè)計(jì)需要接地填充，以最大限度地降低EMI對(duì)電容式傳感系統(tǒng)的影響。然而，需要權(quán)衡，因?yàn)楫?dāng)接地填充與傳感器焊盤(pán)相鄰時(shí)，會(huì)增加系統(tǒng)的寄生電容，降低其靈敏度。一個(gè)很好的折衷方案是在頂層使用陰影線15％的地面填充（例如，0.18 mm線，1.14 mm間距）和底層10％（例如，0.18 mm線，1.78 mm間距）。

使用帶陰影的接地填充時(shí)，傳感器板和接地層之間的間隙會(huì)影響相關(guān)按鈕的靈敏度。具體而言，傳感器寄生電容的大小與按鍵和接地層之間產(chǎn)生的電場(chǎng)有關(guān)（見(jiàn)圖1a）。事實(shí)證明，當(dāng)按鈕周?chē)拈g隙增大時(shí)，寄生電容會(huì)減小。圖4說(shuō)明了這種關(guān)系。在該圖中，板材為FR4，厚度為1.57mm，丙烯酸覆蓋層的厚度為2mm。每個(gè)圖包含三個(gè)按鈕尺寸（直徑5，10和15 mm）的數(shù)據(jù)。

圖4：作為按鈕離地間隙和按鈕直徑的函數(shù)的寄生電容（CP）。 （賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供）。

按鈕旨在感知手指的存在。形狀和大小會(huì)影響觸摸傳感器的靈敏度。角度小于90度的形狀（如三角形）效果不佳，正方形更好，實(shí)心圓最佳。較大的按鈕通常比較小的按鈕更好。嘗試使按鈕大小與指尖區(qū)域相匹配是一個(gè)好主意，該區(qū)域?qū)⑴c傳感器接觸。圖5繪制了不同尺寸按鈕的手指電容（CF）占傳感器電容（CSENSOR）的百分比。

圖5：不同尺寸實(shí)心圓形按鈕的CF/CSENSOR比率。 （賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供）

消除錯(cuò)誤觸摸

觸摸屏電路在沒(méi)有手指（啟動(dòng)電容）的情況下會(huì)產(chǎn)生固有的寄生電容。如果起始電容大，則來(lái)自手指觸摸的電容的增加引起相對(duì)較小的變化，因此更難以檢測(cè)。換句話說(shuō)，降低啟動(dòng)電容會(huì)增加電容式觸摸傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。

前面討論的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)將有助于增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，但還有更多工作要做，尤其是當(dāng)它消除“虛假觸摸” - 傳感器注冊(cè)的觸摸但用戶不打算接觸。

屏幕尺寸越小，挑戰(zhàn)越嚴(yán)峻。例如，與移動(dòng)手機(jī)觸摸屏上的特征相比，手指的尖端相對(duì)較大，因此與例如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器相比，確定哪個(gè)按鈕實(shí)際被選擇變得更加困難。

問(wèn)題是當(dāng)多個(gè)鍵靠近時(shí)，因?yàn)榭拷鼈鞲衅鞯珜?shí)際上沒(méi)有接觸的手指仍會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電容增加并產(chǎn)生錯(cuò)誤的讀數(shù)（見(jiàn)圖6）。

圖6：當(dāng)手指接近傳感器墊而沒(méi)有實(shí)際接觸時(shí)，可能會(huì)發(fā)生誤觸摸。 （賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供）。

每個(gè)傳感器走線都成為它所連接的電容式傳感器的擴(kuò)展，因此不良的布線可以將電容從一個(gè)傳感器耦合到另一個(gè)傳感器 - 特別是如果跡線指向附近的傳感器 - 并增加虛假觸摸的可能性緊密分組的按鈕是一個(gè)特別的問(wèn)題，因?yàn)槭种缚赡軙?huì)使相鄰按鈕與要按壓的按鈕重疊。將具有接地環(huán)的組中的每個(gè)傳感器包圍在一起可以幫助隔離每個(gè)傳感器。然而，使用接地環(huán)是一種權(quán)衡，因?yàn)槿缜八?，靠近觸摸傳感器的跡線會(huì)增加寄生電容并降低傳感器靈敏度。

半導(dǎo)體供應(yīng)商的幫助

除了PCB設(shè)計(jì)變更外，觸摸控制技術(shù)提供商還可以提供一些創(chuàng)新技術(shù)，以盡量減少錯(cuò)誤觸摸的可能性。例如，賽普拉斯半導(dǎo)體公司的CapSense?技術(shù)允許設(shè)計(jì)工程師調(diào)整電路，以實(shí)現(xiàn)最佳信噪比（SNR），以確保觸摸檢測(cè)并濾除誤觸摸。

系統(tǒng)基于公司的CY8C20XX6A技術(shù)可在手指不存在時(shí)持續(xù)測(cè)量寄生電容。該測(cè)量值被轉(zhuǎn)換為數(shù)字計(jì)數(shù)，以便通過(guò)確定設(shè)定時(shí)間內(nèi)的平均計(jì)數(shù)數(shù)來(lái)設(shè)置噪聲基線。這種寄生電容的不斷更新意味著如果電容由于環(huán)境因素（例如熱量和濕度的增加）而發(fā)生變化，系統(tǒng)可以“重置”基線。

當(dāng)手指存在時(shí)，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)頻繁地測(cè)量電容的順序建立“觸摸”信號(hào)的平均值。圖7顯示了基于CapSense的系統(tǒng)的實(shí)際傳感器數(shù)據(jù)樣本。注意，從許多寄生電容測(cè)量建立的噪聲基線被轉(zhuǎn)換成數(shù)字計(jì)數(shù)。類似地，當(dāng)存在手指以確定信號(hào)閾值時(shí)執(zhí)行許多計(jì)數(shù)。在這種情況下，SNR為5：1。

圖7：賽普拉斯半導(dǎo)體CapSense?系統(tǒng)的輸出。

在制造環(huán)境中，“相同”設(shè)計(jì)將展示一系列CP ，CF和CX值會(huì)影響系統(tǒng)靈敏度。通過(guò)分析CapSense輸出，裝配技術(shù)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)工程師設(shè)置的SNR閾值（例如，4.75：1）來(lái)傳遞或拒絕產(chǎn)品。

就其本身而言，STMicroelectronics提供其S-Touch?產(chǎn)品，例如STMPE16M31QTR用于電容式觸摸屏。 S-Touch技術(shù)基于兩個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，均由相同的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是參考，而另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接到傳感器。當(dāng)手指觸摸焊盤(pán)時(shí)，電容增加，延長(zhǎng)了RC網(wǎng)絡(luò)與參考電壓相比的時(shí)間常數(shù)。根據(jù)延遲的長(zhǎng)度，S-Touch可以確定它是故意觸摸，誤觸摸還是噪聲（見(jiàn)圖8）。

圖8：STMicroelectronics的S-Touch?技術(shù)（無(wú)觸摸延遲ZREF - ZIN = A，觸摸延遲ZREF-ZIN = B，如果BA》閾值則觸摸被注冊(cè)）。

S-Touch技術(shù)利用連接到校準(zhǔn)單元的數(shù)據(jù)檢測(cè)引擎持續(xù)運(yùn)行校準(zhǔn)程序，以考慮環(huán)境影響的變化，如溫度和濕度。最后，數(shù)據(jù)過(guò)濾塊應(yīng)用兩個(gè)濾波器，一個(gè)用于消除噪聲，另一個(gè)用于抑制與被觸摸的傳感器相鄰的傳感器的信號(hào)，以消除誤觸摸。

觸摸屏技術(shù)繼續(xù)快速發(fā)展。制造商已經(jīng)在推廣先進(jìn)技術(shù)，包括允許同時(shí)檢測(cè)多個(gè)手指觸摸的技術(shù)和投射電容，即使用戶甚至不必直接觸摸屏幕。簡(jiǎn)單地移動(dòng)手指足以觸發(fā)響應(yīng)。

確?？焖?，準(zhǔn)確響應(yīng)而不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤觸摸的基本設(shè)計(jì)規(guī)則保持不變。旨在實(shí)現(xiàn)高靈敏度，使控制電子設(shè)備可以輕松區(qū)分噪聲，誤觸摸和預(yù)期觸摸，并建立校準(zhǔn)，以便系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)環(huán)境條件的變化。