感应按键原理

电容式触摸感应按键的基本原理
◆Silicon Labs 现提供一种可侦测因触摸而改变的电容的方法
电容式触摸感应按键的基本原理就是一个不断地充电和放电的张弛振荡器。

如果不触摸开关，张弛振荡器有一个固定的充电放电周期，频率是可以测量的。

如果我们用手指或者触摸笔接触开关，就会增加电容器的介电常数，充电放电周期就变长，频率就会相应减少。

所以，我们测量周期的变化，就可以侦测触摸动作。

具体测量的方式有二种：
(一)可以测量频率，计算固定时间内张弛振荡器的周期数。

如果在固定时间内测到的周期数较原先校准的为少，则此开关便被视作为被按压。

(二)也可以测量周期，即在固定次数的张弛周期间计算系统时钟周期的总数。

如果开关被按压，则张弛振荡器的频率会减少，则在相同次数周期会测量到更多的系统时钟周期。

Silicon Labs推出的C8051F9xx微控制器(MCU)系列，可通过使用芯片上比较器和定时器实现触摸感应按键功能，连接最多23个感应按键。

而且无须外部器件，通过PCB走线/开关作为电容部分，由内部触摸感应按键电路进行测量以得知电容值的变化。

◆以Silicon Labs的MCU实现触摸感应按键
利用Silicon Labs其它MCU系列，仅需搭配无源器件，即可实现电容式触摸感应按键方案。

与C8051F93x-F92x方案相比，唯一所需的外部器件是(3+N) 电阻器，其中N是开关的数目，以及3个提供反馈的额外端口接点。

C8051F93x-F92x 之外，Silicon Labs其它MCU系列可直接连接12个开关，或者通过外部模拟多路复用器连接更多开关。

设计触摸感应按键开关
因为我们要侦测电容值的变化，所以希望变化幅度越大越好。

现在，有三个主要因素会影响开关电容及变化幅度。

PCB上开关的大小、形状和配置
PCB走线和使用者手指间的材料种类
连接开关和MCU的走线特性
我们测试了下图中这12种不同开关。

目的是为了发现开关的形状尺寸会如何影响开关的空闲和被接触的状态，还可以发现哪一种开关的空闲电容最大，就不容易被PCB上的寄生电容而影响。

测试结果表明，在特定区域中的开关越大且走线越多，则此开关的闲置电容便越高。

图中的环状开关具有最低的电容，所以当开关动作时，可显现最大的电容相对变化。

◆开关的形状尺寸会如何影响开关的空闲和被接触的状态
由于开关上方的材料种类，会影响闲置电容和电容的变化率。

我们还测试了玻璃、有机玻璃Mylar聚酯薄膜、ABS塑料和FR4玻璃纤维，这几种不同材料。

我们发现，尽可能使用最薄的材料，使电容变化极大化。

而且，建议使用具有高介电常数的材料，例如玻璃，以增加开关的绝对电容。

总结
Silicon Labs的电容式触摸感应按键的优点很多。

首先，只需要很少的微控制器开销(overhead)。

设计一个开关仅需443字节码空间，每多增加一个开关仅需多增加额外的1字节。

硬件资源只需要一个比较器和定时器。

还可以采用高效率算法，让微控制器可以进入低功耗模式，并能定期唤醒以侦测开关动作。

总体只占用低于% 的CPU资源。

其次，没有外部硬件开销。

可以将开关走线直接连至MCU端口管脚，无须其它外部的反馈电阻器或电容器。

而且芯片配置也很简单。

无论开关使用为何材料，完成都很容易。

另外，按键的侦测，不易受到噪声和供应电压的影响。

不受50/60 Hz噪声的影响，也不需要精密电压源(VDD)。

常见问答(摘自2008年12月Silicon Labs在线座谈中的问答环节)
问题回答
问：如何调整触摸灵敏度是设计时固定的，还是到现场可以进行调整的
答：灵敏度是通过实验来做的，客户可以对不同状况下的值进行记录，然后保存到flash中，这样实际使用时，不同状况下，系统会用不同值来工作，实现适合的灵敏度。

灵敏度是设计时确定的，也可以设计成自学习型的。

问：一个开关需要一个定时器和一答：对于多个开关，采用一个多路
Touch Sense ，也可以联系我们益登科技相关办事处，获取详细设计资料及指导。

假如我需要开发电容式触摸按键技术，请问我应该买什么开发工具和软件
答：可以购买我们提供的
C8051F931-based ToolStick 与Capacitive Touch Sense，或者C8051F930DK等开发套件，套件中包含设计资料和参考代码。

电容式感应按键电路设计流程及要点
电容式触控技术在厨房设备中的应用已经有几年了，例如在烤箱和煎锅的不透明玻璃面板后面采用分离按键实现。

这些触摸控制键逐渐替代了机械按键，因为后者具有使用寿命短、不够卫生等方面的问题，而且还有在面板上开孔安装按键的相关成本，图1是
电容式感应技术原理示意
图。

电容式感应技术由于具有
耐用、较易于低成本实现
等特点，而逐渐成为触摸
控制的首选技术。

此外，
由于具有可扩展性，该技
术还可以提供其它技术所
不能实现的用户功能。

在
显示屏上以软按键方式提
供用户界面，这通常被称为触摸屏。

触摸输入滚动/指示功能器件，例如iPod音乐播放器上的点击式转盘，这类器件在消费市场已经获得广泛的认可，正在逐渐出现在更多的消费设备市场。

有两种基本类型的滚动器件：第一种是绝对报告类型，提供直接位置输出报告；另外一种是相对类型，这类器件提供用来增加或减少某个值的直接报告。

使用电容式感应的IC设计感应开关电路板与其它电路的开发流程略有不同，因为电容式开关的设计上会受到机构与其它电路设计上的影响，会有比较多的调整程序，所以需要一个比较复杂的开发流程，现就以出道较早且具有代表性的“Quantum ”产品的开发流程及要点介绍给大家，希望对需要的朋友有所帮助。

下图是开发流程图： 1.Step 1：机构设计：
图1：技术原理示意图。

a.面板的材质必须是塑料，玻璃，等非导电物质。

b.在机构设计阶段同时也必需设计操作流程，以选择合适的产品，如果是
按键的产品，要考虑是否有复合按键的设计，或是综合滑动操作及按键操作等，如果是以滑动操作的产品，就必须考虑是否需要切割出按键。

c.由于感应电极与面板接触点之间不能有空隙，所以机构设计上必须考虑
将感应验路板直接黏贴在外壳面板的内侧，以及考虑面板的组装方式。

d.同样的，感应电极与手指之间不能有金属层夹在中间，所以面板上不可
以有金属电镀及含金属超过15%的喷漆等会形成导电层的设计。

e.如果必须电镀或高金属含量漆，请在按键区域的边缘保留一圈不要电镀
或喷漆，用以隔绝其它感应开关。

f.如果面板是有弧度而非平面，可以利用软板、弹簧、导电橡皮等导电物
将感应电极延伸到面板上，并在面板内侧制造出感应电极，如果面板与感应电极之间有空隙也可以用这个方式填补空隙，或加厚感应电极区域的面板。

g.机构设计的外壳厚度会影响感应电极的大小，所以必须先完成机构设
计，才能接续开发流程。

h.如果感应电路板后面有大片金属或电路板，必须保留若干空隙，以避免
灵敏度降低或干扰感应电极，如果是金属板，金属板必须接地，空隙保留至少0.3mm以上，如果是电路板，尽量减少高频电路经过，并保留至少1.0mm的空隙。

i.有上述状况的感应电路板，虽然保留了足够的间距，最好能将感应电极
再加大，以利后续调整灵敏度的步骤。

j.感应电极可以用电路板铜箔来做，亦可以采用FPC软性电路板，ITO蚀刻，ORGACON印刷，银漆印刷，石墨(CARBON)印刷等导电物质。

2.Step 2：决定感应电极的尺寸：
a.依照机构设计的面板厚度决定感应电极的最小尺寸，面板厚度1mm时
感应电极最小3mm直径的圆，面板厚度7mm时感应电极最小10mm直
径的圆，在机构及电路板空间的允许下尽量将感应电极加大。

b.感应电极最小不可以小于1/3个手指的面积。

c.注意感应电极附近是否有金属螺丝或铁板等大型金属物，如果有，必须
将金属物接地，并再加大感应电极的面积，以避免灵敏度降低。

d.如果在感应电极中开孔加装LED，必须加大感应电极以弥补开孔所损失
的面积，所以增加的感应电极面积至少必须相等于开孔的面积。

e.感应电极可以是任何形状，但是尽可能采用圆形或方形，如果必须利用
所有的空间来增加感应电极的面积，尽量避免将感应电极设计成狭长的
形状。

3.Step 3：感应电路板电路设计及布线：
a.电路设计以IC规格书内的范例电路为基础即可。

b.必须利用稳压IC(VOLTAGE REGULATOR)来确保QUANTUM IC的电源是干
净没有噪声的。

c.感应电极附属的电阻与电容要尽量靠近IC，如果是双面板或是多层板，
在电阻与电容的下方尽量避免通过高频线路，铺设地线，或是比较宽的线路。

d.如果是单层板，感应电极附近不要有高频线路，其它线路也尽量远离感
应电极及其联机。

如果选用的IC有AKS功能，请尽量采用此功能以减少邻近的感应电极互相干扰。

e.如果没有开启AKS功能，在感应电极及其联机之间加一条地线，也可以
减少邻近的感应电极之间的互相干扰，地线必须放置在邻近的两个感应电极的中央，线宽不要超过两个感应电极间距的1/5，或是用地线将感应电极及其联机围绕隔开，但是原则上围绕的地线离的越远越好。

f.从感应电极的附属零件到感应电极的之间的线路以最小线宽来铺设即
可，感应电极的联机与其它线路至少间距线宽的5倍以上，感应电极的联机与另一个感应电极的联机之间的距离则是越远越好，最近距离为线宽的2倍以上。

g.如果无法达到联机之间的间距，最好在线与线之间用一条地线作隔离，
用最小的线宽来铺设地线即可，线距采用一般安全间距。

h.从感应电极的附属零件到感应电极联机最长不要超过30cm，感应电极
的的线路可以经过感应电极的下方，避免围绕在其它感应电极的周边。

i.感应电极联机的下方尽量避免通过高频线路，铺设地线，或是比较宽的
线路，如果难以避免，尽量以交错通过，其它线路尽量不要与感应电极
联机平行。

j.如果确实需要减少来自感应电极下方的干扰而需要铺设地线的话，不要铺设整片实体的地线，用网格状铺铜，网格1.27mm以上，网格线用最
小线宽来布线，同时要注意网格边线不要与感应电极靠的太近。

k.人体的自然电容量约5pF～30pF之间，布线的最终原则就是不要超过人体自然电容量的最小值5pF。

4.Step 4：测试电路板：
a.这个阶段主要是测试电路板的布线是否正确，感应动作是否正常。

b.在此阶段只需要大概的调整灵敏度，不需要精确调整，因为当电路板装
入机壳之后会再变化。

c.测试时必须特别注意电路板的放置，测试电路板不可以直接放在桌面
上，也不可以在测试按压时有晃动的现象，理想的测试环境是黏贴上面
板或与面板相同厚度及材料的替代面板，再加上橡胶脚垫架高电路板，
同时可以稳固电路板。

d.测试的电路板必须没有跳线，如果有跳线，必须是与感应开关电路无关
的，而且不可以经过感应IC及其附属电路，也不可以在感应电极附近。

e.如果测试不良，进入Step 4-1确定不良原因，如果用手直接触摸感应电
极可以正常动作，可以确定为灵敏度不良。

f.如果感应开关会自动触发，或触发后很久才释放，先检查电源是否稳定，
如果电源是稳定的则可能是过度灵敏，将Cs电容数值减少降低灵敏度再
测试。

g.如果是属于布线不良或布线错误，回到Step 3重新布线。

h.只要将灵敏度调整到不会有不稳定或不动作的现象就可以进入下一阶
段再调整灵敏度。

5.Step 5：装入机壳内：
a.感应电路板装入机壳内测试是必须的步骤，可以是手工机壳，试模机壳
最好是量产机壳，机壳外部的印刷及喷漆必须与量产时的漆料相同。

b.机壳内的组件必须齐全，最好其它电路板都已经安装妥当，且可以接上
电源工作，其它电路板工作正常与否无关紧要，只要可以测试按键动作
即可。

c.测试阶段可以用一般无基材双面胶黏贴，但是正式量产建议采用3M
468MP或NITTO 818无基材双面胶。

6.Step 6：测试灵敏度：
a.适当的灵敏度是手指轻轻接触到面板，感应开关有动作发生，如果需要
用很大的力气按压面板感应开关才有动作，或是手指还未接触到面板感
应开关就有动作，是属于灵敏度不良的状况。

b.Cs电容数值加大可以提高灵敏度，数值减少是降低灵敏度，必须注意，
不同的IC会有不同的数值范围限制，请参考IC规格文件。

c.提高灵敏度并不等于增加感应距离，在设计初期一定要确定面板的厚
度，感应电极的面积一定要足够。

d.个别的感应开关会因为位置的不同，受机构或其它组件的影响不同，所
以灵敏度的调整是每一个感应开关个别进行的。

e.理想的灵敏度可以根绝感应开关的误动作，增加ESD测试的耐受性。

(已
经测试通过25KV)
7.Step 7：确定BOM
a.到这个阶段才能完全确定BOM并进入试产及量产。

b.与感应相关的电阻及电容建议采用SMD组件，电阻没有特殊要求，一
般±10%误差的即可，电容建议采用X7R误差在±10%以内的组件。

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天地之间
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金麟岂是池中物全集。