电容式触控:细数不同方案

小鱼时代2017-07-31 10:12

电容式感测应用于各个技术,从工业、汽车和医疗设备,到智能手机和平板电脑等日常消费应用。该技术的迅速普及主要归功于它能轻松地增强设备的用户体验,使制造商可以放弃传统的开关控制,换成更具吸引力的触摸式控制。

该技术还有助于减少设备中机械元件的数量,从而实现更长的使用寿命和更小的尺寸。这些特性使得采用电容式感测的产品对消费者更具吸引力,当然前提是其设计、校准和控制必须到位。

尽管电容式感测也广泛用于实现触控按钮和滑条,这在消费、商业和工业应用中都很常见,但该技术最常见的目标应用是触控板(touchpad)和触控屏幕(touchscreen)。不过实践证明,对大多数工程师而言,如何设计低成本、快速响应且能效高的传感器来保证设备在嘈杂环境中的可靠运行是一个挑战,而这在目前市场上是标准要求。

在物联网(IoT)和可穿戴设备技术方面尤其如此。未来几年,这个市场将以极快的速度增长,消费者希望这些设备提供与已有IoT设备相同甚至更出色的使用体验。因此,工程师需要认真思考哪种电容式感测方法对其应用最有效,因为市场上有一些适合不同用途的方案与设计,而它们之间的差异也极大。

触控板

用于用户界面的最基本的触控式感测应用,可能就是我们都熟悉的投射式电容触控(PCT)触控板。这些设计由位于玻璃板之间的导电材料层的行和列的矩阵组成。对该网格施加电压可产生电场,其强度可在每个交叉点进行测量。当导电物体(如人的手指)靠近并接触PCT面板时,接触点的电场发生改变,可测量为电容差。

工程师可采用两种方案来实现PCT技术:自电容触控板与互电容触控板。

自电容设计位于印刷电路板(PCB)上,由接地引线环绕。PCB上的每个传感器与周围的接地引线形成一个寄生电容,电场线在传感器的顶部。接近的手指会引入一个额外电容,使电场扭曲。该设计的主要缺点是一次只能检测一个触摸,尽管该模式相对经济有效,但实际上只适合屏幕后面空间有限的设备。

但是,互电容感测方法(指任何两个带电物体之间存在的电容)可以实现同时多个触摸的检测,这对采用大尺寸显示屏的复杂设备非常理想。在手指触摸期间,两个物体间的互电容减小:触摸控制器可检测到互电容的减小,从而识别手指的触碰。很重要的是,每个交叉点都有独一无二的互电容并可独立跟踪。

对于互电容触控板,手指的触碰会造成电容减小。相反,在自电容触控板上,手指带来的额外电容会增加传感器所测量的总电容。

触控屏幕

多个电容触控板可组合形成一个触控屏幕(或触控面板),可检测一个或多个手指在一个玻璃面板上的位置。这些触控屏幕广泛用于手机、平板电脑、空间有限的高端可穿戴设备等,并可分成三个主要类别:PCB、电容式、单层ITO触控面板。

PCB触控面板 – 低成本、低功耗,但制造难度大

印刷电路板(PCB)触控面板,基本上是紧挨着显示屏放置的两个或更多PCB自电容触控板。它是创建原型设计和没有空间限制的商业设备的理想选择,因为它采用标准PCB制造工艺,该制造工艺已经非常广泛,而且成本低廉。

在设计触控按钮来形成PCB触控面板时,尺寸通常是需要考虑的重要参数。但是也应当考虑形状和间距(触控板之间的间隙),确保将误检测率降到最低。

电容式触控面板 – 比其它他方案功能更丰富,但使用案例较少

另一方面,电容式触控面板有两个垂直堆叠的氧化铟锡(ITO,一种高导电材料)导电层,一个是列导电层,一个是行导电层。该设计的主要特点是每个交叉点都有其独一无二的互电容,并可通过触摸控制器独立进行跟踪。

电容式触控面板是许多应用的理想选择,因为它们提供多点触控,并且可以轻松进行配置,以支持两个或更多触控板,另外它们的超薄模块设计,使其适合更大的屏幕尺寸。

但这些设计也有它们的缺点,其导电层所需的两层ITO成本非常高。此外,电容式触控面板还非常耗电,其高睡眠电流使得控制器需要消耗大量电能,使其不适用于小型可穿戴设备。

单层ITO触控面板 – 低成本、低功耗、且易于制造

另一方面, 单层ITO触控面板方案以更低的成本提供了电容式触控屏幕的许多优点。主要差别在于其触控板的数量是预定义的,不能像在电容式触控面板中那样动态改变。这种预定义性质在尺寸和控制器计算资源方面带来了许多优势。从制造角度看,这种方案非常类似于电容式触控面板,不同的是,它只用了一层ITO。

工程师需要权衡所有这些设计的利弊,以确定哪种方案最适合其应用。电容式触控解决方案总体上能够使大多数设备的设计和功能流线化,但在根据既定用途来确定最聪明和最安全的实现方法时,对尺寸和功耗等因素的考虑也非常重要。(本文作者:同伟,Dialog公司产品营销经理

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