图四 自容触控原理
图五是自容式的原理简图,互电容感应将测量两个电极间的电容。其中一个电极被称为发送电极(TX),另一个被称为接收电极(RX)。在互电容测量系统中,为 TX 引脚提供数字电压(VDDD 和 GND 间的信号切换),并测量 RX 引脚上所接收到的电荷。在 RX 电极上接收到的电荷与两个电极间的互电容(Cx)成正比。在 TX 和 RX 电极间放置手指时,互电容Cx会降低到。由于互电容降低,RX 电极上接收到的电荷也会降低。互电容效应最适合用于多点触摸系统,如触摸屏和触控板。
图五 互容触控原理
图六是自容式电容触摸的工作原理介绍,分为触摸态和非触摸态。
图六 自容工作原理
在非触摸态的时候的物理模型如上图所示,整个系统会有3个等效电容组成,一个是寄生电容Cp(Parasitic Cap),一个是电极电容Ce(Electrode Cap),还有一个回地电容Cg(Ground return Cap)。这3个电容并不是一成不变的,他们会由于周围环境的变化而发生变化,所以在非触摸态下,电容值会产生波动,我们称之为电容底噪,需要通过软件来对这种波动值进行修正,来保证不会由于周围环境的变化而产生误判断。
图七 基于自容的人体感应原理
如图七所示,当人体靠近电容检测电极时的物理模型如上图所示,要比未靠近的时候会增加一个触摸电容Ct(touch cap)。当人体离这个电容检测电极越近,Ct会越大,当在一定时间范围内电容变化量达到一定的门限后,我们就判断有触摸事件发生。
虽然自容式触摸在汽车上的应用广泛,但是也存在一些比较难解决的问题,主要为以下几种:
1:防水效果差:
像车外饰以及靠近车窗的车内饰组件容易遇到一些水滴或者水流的情况,这种场景下电容触控容易产生一些误动作。例如门把手,尾门开关,车窗升降开关,在下雨或洗车等场景下,容易产生误判。
2:对低阻抗的物体容易产生误触:
因为电容触控的检测原理是通过pad来检测周围环境的介电常数在短时间的变化量来判断是有触摸动作,所以当有低阻抗或者介电常数跟人体的介电常数相似的物体(如金属)靠近时也容易产生响应。
3:电磁抗干扰差:
由于电容触摸采用的是共模检测的方式,并且电容检测电极类似于天线,所以对电源纹波和高频噪音干扰容易产生误触,特别是EMC测试中射频噪音和电源线以及地线上噪音的抗干扰效果不好。
4:盲操效果差:
对于用户的一些不经意的操作会引起误触发,比如方向盘控制器,在驾驶者行驶过程中需要盲操的场景下,手对电容按键较多的触摸区域操作时会有很大概率产生误触。
5:对开发人员的技术能力要求高:
由于电容触摸的抗干扰性差,对周围器件的高频干扰容易受串扰,所以结构堆叠,Layout设计和器件摆放以及对于触摸算法调试都存在一定的难度,开发周期长。所以在设计过程中,对结构工程师,硬件工程师和软件工程师的要求都非常高。
基于纯电容触控存在的诸多问题,越来越多的人家交互触摸方案中开始考虑融入压力检测技术。通过压力检测判断按压动作,通过常用的压力检测技术有电容式压力传感检测、电感式压力传感检测、红外压力传感检测、MEMS压力传感检测、惠斯通电桥压力传感检测技术。
4.主要压感技术路线分析
4.1 电容式压力传感器检测技术
电容式压力传感器检测技术,需要在压力检测位置上构建一个电容器,按压过程中检测该电容器电容量的变化来判断按压动作。
电容器由两块正对的平行导体,以及它们之间夹着的绝缘介质构成,其电容量为
其中:
ε为两平行导体之间的绝缘介质的相对介电常数
A为两平行导体所覆盖的面积
d为两平行导体之间的距离
C为电容量
当ε、A或d发生变化时,电容量C也会随之发生变化。
电容式压力传感器检测技术是通过检测按压时改变两平行导体间距来实现电容量变化的技术。
由此可见,实现电容式压力传感器检测的关键在于在按压位置上构建一个稳定、一致,可靠,并在按压时能够产生一定行程距离的电容器。
这就使得设计电容器时需确保:
①电容器两平行导体空间上既要完全重叠,又要保证两导体之间的距离一致
②按压时产生合适的位移行程引起的电容量的变化能被检测电路有效检测出来
③各种使用环境下绝缘介质的相对介电常数一致。
以上条件对电容的载体结构件、平行导体的生产装配精度要求极其苛刻,甚至需要在两平行导体之间构建密闭环境并充填特定气体以确保各种使用环境下电容器中的绝缘介质的相对介电常数不变,这样才能保证产品的性能和一致性,生产难度和生产成本极高。
电容量的检测大多采用的是电容触摸的检测原理,因此该检测技术除了存在构建电容器的难度以外,还带有电容触摸的先天缺陷,比如防水误触、EMC、带手套触摸等问题,降低了客户的体验度。
4.2 电感式压力传感器检测技术
电感式压力传感器检测技术是利用电磁感应原理将压力转换成电感线圈自感量的变化,再由测量电路转换成电压或电流的变化,来判断按压操作的检测技术。
电感式压力传感器也称变磁阻式压力传感器,由铁芯、线圈和衔铁三部分组成。如图八所示: