基于手持移動設備的觸摸傳感技術解析

智能手機等新型消費電子產品使得觸摸屏開始風靡，觸摸傳感器提供方便的控制方式，幾乎可用于控制任何類型的設備。

觸摸傳感控制器目前提供一些通用的性能選項和形態(tài)，如滑塊和鄰近傳感器。觸摸傳感器技術的進步使傳感器驅動型接口更易于實現，對終端用戶更為直觀和簡單。

大多數觸摸傳感控制器依據所檢測到的電容變化來工作（見圖1）——當某種物體或某個人接近或觸摸傳感器的導電金屬片時，手指與金屬片之間的電容發(fā)生變化。導電物體（如手指）在傳感器附近移動將改變電容傳感器的電場線并使電容發(fā)生變化。控制電路可測出電容的變化。

工業(yè)應用系統(tǒng)從多年前開始就使用這種電容檢測技術來測量液位、濕度和材料成份。這種從這些應用發(fā)展而來的技術逐漸演化成人機接口。

觸摸傳感器接口通常通過測量與傳感器墊片相連的電路的阻抗來檢測電容變化。觸摸控制器周期性地測量傳感器輸入通道的阻抗并用這些值來導出一個內部基準，即校準阻抗?？刂破饕赃@個阻抗值為基礎判定是否發(fā)生了觸摸事件。

下面的簡化公式表明了手指逼近對觸摸墊片電容產生的主要影響。這個公式可用于確定傳感器墊片的電容和強度。

* C表示電容，單位為法拉

* A是單個金屬墊片的面積，單位為平方米

* εr是金屬墊片間材料的相對靜態(tài)介電常數（真空=1）

* ε0是自由空間的介電常數=8.854×10（SUP/）-12（/SUP）F/m

* D是板之間的距離或間隔，單位為米。

另外，觸摸強度隨壓力、觸摸面積或電容的增加而增大。D減小等價于電容增大或觸摸強度增大。

這個方程表明，覆膜厚度及其介電常數對觸摸強度影響很大。該方程還表明，電容傳感器本質上對周圍環(huán)境和觸摸激勵的特性敏感——不管觸摸來自手指、乙烯基、橡膠、棉花、皮革或水（見圖1）。

圖1：觸摸靈敏度依賴于覆膜材料、墊片尺寸和厚度。

表1列出了各種常用覆膜材料的介電常數。我們可以基于這些值來考察觸摸傳感器在廚房中的應用，因為在廚房中這些傳感器很容易濺上食用油。

表1：介電常數

典型的食用油如橄欖油或杏仁油的介電常數在2.8-3.0之間。石蠟在華氏68度時的介電常數在2.2-4.7之間。這些材料的介電常數接近甚至小于傳感器常用覆膜聚碳酸脂（2.9-3.2）或ABS材料（2.87-3.0）的介電常數。因而，油對傳感器的操作沒有多大影響。

相反，甘油的介電常數在47-68之間，水的介電常數約為80。盡管這些材料的介電常數比覆膜材料高，對于使用數字觸摸檢測技術（如ATLab公司開發(fā)并擁有產權的FMA1127觸摸傳感器控制器所使用的技術）的觸摸傳感器來說，由于傳感器墊片和濺上的液體都沒有接地，濺上這些液體不會引起任何異常行為。

盡管觸摸傳感器的操作細節(jié)和接口依賴于具體的應用，一般來說，容性傳感器接口電路和檢測方法有模擬和數字兩種類型。一種模擬技術是測量頻率或工作周期，這些量因為在手指和地之間引入額外的電容而發(fā)生變化（見圖2）。

圖2： 模擬觸摸方案；由于需使用參考地，可能會受到水滴的影響

利用這種技術和高分辨率的模數轉換器（ADC），可以把測到的模擬電壓轉換成數字代碼。得益于混合信號技術的進步，最新款的電容/數字轉換器把高性能模擬前端與低功率高性能ADC集成在一起。

模擬接口電路的一個缺點是容性傳感器可能會受到難以捉摸的噪聲、串擾、耦合的影響。另外，傳感器輸出的動態(tài)范圍受到電源電壓的限制，而隨著半導體制造技工藝節(jié)點的縮小該電源電壓在不斷降低。

如果使用深亞微米CMOS技術把傳感器電路與復雜的數字信號處理模塊集成到相同的基底上，情況會變得更具挑戰(zhàn)性。為避免外部干擾，該器件可能會要求使用軟件工作區(qū)，這增加了與之接口的微控制器的存儲器開銷和性能開銷。

全數字傳感方法（見圖3）可避免與模擬方法有關的問題。數字方法通過使電容成為RC延時線的一部分來檢測傳感器電容的變化。

圖3：數字觸摸方案；在存在水滴時仍具有魯棒的性能

圖3中簡單的全數字型時間/數字轉換器（TDC）測量該延時線相對于基準RC延時線的差并輸出阻抗的變化。寄生電容對RC延時的影響可通過加電補償來消除。

手指碰到傳感器墊片使電容增大進而提高了RC延時時間并導致阻抗變化。把這個阻抗與校準阻抗對比可確定是否發(fā)生了觸摸事件。該傳感方案很容易通過調整RC延時線的電阻來改善性能。

1 MCU接口

不管使用模擬方法還是數字方法，觸摸傳感器控制器都可以使用簡單的SPI或I（SUP/）2（/SUP）C接口與微控制器相連。MCU（主）通常以主從模式與觸摸傳感器控制器（從）進行數據交換。

如果MCU沒有這樣的串行接口，可以使用軟件模擬串行接口的方法，但這種方法增加了存儲器和性能的開銷。把觸摸傳感器控制器與微控制器集成在一起的芯片已在不久前上市。

2 消費電子、家庭自動化和工業(yè)要求

相對于傳統(tǒng)機械按鈕、滑塊、轉輪和開關，觸摸傳感器控制提供了靈活、可靠且高性價比的替代方案。

最新的觸摸傳感器為設計者發(fā)揮其創(chuàng)造性創(chuàng)造了條件，設計者在開發(fā)接口時可隱藏或露出按鈕、或采用其他形態(tài)觸摸板的模式。表2和圖4顯示了不同的傳感器形狀和應用。

圖4：滑塊、滾輪、觸摸按鈕和臨近傳感應用的例子

表2：各種應用的觸摸控制方案

臨近觸摸控制對只要求一或兩個按鈕的簡單接口提供了一種有吸引力的替代方案。臨近傳感器易于整合進最終的產品設計中，并具有功耗低和壽命長等長期優(yōu)勢。

金屬門把手是一種理想的臨近傳感器應用。極為敏感的傳感器可以檢測到是否有手在接近門把手，系統(tǒng)在檢測到接近行為后會給需要大功率的安防硬件通電。作為汽車報警系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)可把每次臨近檢測記錄下來并通知車主（或許可通過手機）有人多次試圖拉開車門。

當金屬物體面積為10mm（SUP/）2（/SUP），覆膜厚度為1mm時，臨近傳感器可以在距離大于2英寸時檢測到手的接近。除了門把手之外，臨近觸摸還可用于家用電器、MP3 播放器、遙控器和移動電話。

3 復雜的LCD觸摸屏方案

觸摸傳感器譜系的一端是簡單的臨近傳感器，另一端是復雜的觸控LCD，為許多常見產品提供了高端感覺。

最值得一提的是，蘋果公司的iPod和iPhone等產品已急劇提升了消費者的期望。從GPS設備和通用遙控器到數字相框和連網型冰箱和洗衣機，類似的觸摸屏技術可以增強各種電子產品的功能。

電話和GPS設備等緊湊型設備可使用靈活的觸摸傳感器PCB作為顯示器的外層。在這些應用中，容性觸摸模塊可使用氧化銦錫（ITO）層在玻璃或塑料屏上實現透明的傳感器墊片和引線（見圖5）。

圖5：使用FMA1127實現的觸摸屏及PCB和觸摸屏的疊層安排。利用TDC比較由檢測電容形成RC延時線與基準RC延時線的延時差別。使用差動信號消除或降低了相關/相干噪聲源的影響，無需地層。

其他應用還包括用來控制顯示器開啟的觸摸檢測傳感器。當檢測不到觸摸時，顯示器關斷，從而可以最大限度地降低系統(tǒng)功耗。

4 觸摸技術的發(fā)展趨勢

由于沒有活動部件且易于適應曲面外形，觸摸傳感器開關是汽車應用的理想選擇。但汽車應用對觸摸技術提出了更高的要求，汽車制造商要求提供成本低、工作溫度寬的汽車級觸摸傳感器控制器。

關鍵是降低觸摸傳感器方案的總實現成本。價格合適的觸摸傳感器為汽車設計工程師實現新穎的接口特性提供了條件。

任天堂公司的Wii使用了3維定位傳感技術。計算機輔助設計領域的一項最新創(chuàng)新是3維鼠標，工程師可在三維空間移動鼠標更直觀地對所設計的產品進行控制。

另外，微軟現正以Microsoft Surface觸摸電腦展示其對未來用戶接口的展望。該接口使用的觸摸技術與iPod相類似，可識別多點接觸及實際物體（如畫筆），能符合直覺的方式恰當地與接觸事件互動。