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一文搞懂触摸感应原理

当前触摸感应在智能设备上的应用已经很普遍了,一个产品加入了触控感应往往给人以“高逼格”的感觉,其实除了对产品美观度有提升之外,触控相较于按键还有更多的实用性,例如,在结构方面,触控感应外表面可以做到密闭,更易做到防水防尘,在可靠性方面,电子式的触控感应较机械式的按键有更长的寿命。本篇就深入探究触摸感应的原理。

一.触摸感应分类

按照工作原理及感应介质可将触摸感应分为电阻式、电容式、红外式、超声波式。

1.电阻式触摸感应:通过改变电阻值来检测是否触摸,这种“触摸”会给下方膜结构一个压力使其产生“形变”导致层间短路,短路使阻值发生改变,正是因为需要施加压力,所以电阻式触摸可靠性高,不易受外界噪声干扰,常用在工业领域触控屏中。

2.电容式触摸感应:通过改变电容值来检测是否触摸,人体与地之间存在电容,直接或间接触摸焊盘时会使芯片端口的等效电容值增大,从而使芯片内部波形发生改变。因为人体对地之间电容容量很小,导致波形变化也很小,因此电容式触摸对各种干扰会更加敏感,触摸按键设计、触摸面板的设计以及触摸IC的选择都十分关键。

3.红外式触摸感应:作者之前写过一篇文章来介绍红外感应,红外感应头由发射管和接收管组成,如果障碍物(人手)将红外光遮挡,一部分反射光将会被接收管接收到,加上外围信号电路即可识别判定此次遮挡。以此延伸到触摸屏,如果在一块四边形的屏幕上,其中一边均匀放置发射管,对边均匀放置接收管,此时在屏幕上即形成光栅,触控操作的物体(比如手指)将遮挡若干红外线,接收端电路经转换后即可生成触控的坐标位置,实现对应操作的响应。

4.超声波式触摸感应:与红外式触摸感应类似,区别之处在于感应方式传播触发信号的媒介为超声波。如下图所示,屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发生器,右上角则固定了两个相应的超声波接收器,屏的四个周边刻有45度角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。在没有触摸的时候,接收信号的波形与参照波形完全一样,当手指或其他能够吸收或阻挡超声波能量的物体触摸屏幕上时,反应在接收波形上即某一时刻上波形有一个衰减缺口,经过处理芯片内算法计算即可得到相应的坐标。

红外式触摸感应和超声波式触摸感应从严格意义上来讲是“遮挡”而非“触摸”,不过给人的表象是“触摸”而已,所以本篇文章只对这两种感应方式作以上简要介绍,重点介绍电阻式和电容式触摸感应。

二.电阻式触摸感应

2.1 原理

电阻式触摸原理和电位器较为相似,一般应用在电阻式触摸屏中,所以用“四线式”触摸屏举例,它主要由聚乙烯(PET)制成的柔性顶层和玻璃或聚碳酸酯类制成的刚性底层组成,这两层都涂有一种称为氧化铟锡(ITO)的透明导电化合物,并由垫片隔开。

当手指触摸屏幕时,产生压力,使柔性层发生形变,两导电层在触摸点位置接触,电阻发生变化,产生X、Y两个方向的信号,然后发送给触摸屏控制器,控制器检测到这个接触并计算出(X,Y)的位置,然后按照模拟鼠标的方式进行操作。

计算触点的(X,Y)坐标分为如下两步:

  1. 计算Y坐标:在Y+电极施加驱动电压Vdrive,Y-电极接地,X+作为引出端测量得到接触点的电压,由于ITO层均匀导电,触点电压与Vdrive电压之比等于触点Y坐标与屏高度之比;
  2. 计算X坐标:在X+电极施加驱动电压Vdrive,X-电极接地,Y+作为引出端测量得到接触点的电压,由于ITO层均匀导电,触点电压与Vdrive电压之比等于触点X坐标与屏宽度之比。

2.2 感应信号处理电路

三.电容式触摸感应

3.1 原理

任何两个导电的物体之间都存在着感应电容,一个按键即一个焊盘与大地也可构成一个感应电容,在周围环境不变的情况下,该感应电容值是固定不变的微小值。当有人体手指触摸按键时,人体手指与大地构成的感应电容容值大概5-15pF,和焊盘与大地构成的感应电容并联,导致总感应电容值增加。电容式触摸按键IC在检测到某个按键的感应电容值发生改变后,将输出某个按键被按下的确定信号。

3.2 感应信号处理电路

检测电容变化的方式有两种:谐振式和SLOPE式,通俗来讲就是检测频率的变化和充放电时间的变化。

方式一:芯片内部为比较器电路,比较器的正输入端接到了一个电阻网络,比较器的负输入端接到了电阻RC与感应电容之间,比较器所接的电阻网络为比较器提供了参考电压,而这个参考电压又受到了比较器输出反馈的激励,其震荡频率可由以下公式计算:

当手指接触触摸按键以后,Csensor的值将会改变,于是fosc随之改变,芯片内部程序根据计算规定时间内上升沿或下降沿的个数是否达到阈值,来判定是否“按下”按键。

方法二:首先由GPIO Load对电容Cx进行充电,同时开启定时器计时,随着充电进行,当达到GPIO Acq设定的阈值电压Vref时停止计时,这样就可以计算充电时间,当手指接触触摸按键以后,Cx的值将会改变,充电时间会变长,通过计算充电时长是否达到阈值,来判定是否“按下”按键。

3.3 设计注意事项:

前面文字提到,电容式触摸易受干扰,那么在电路设计时应该遵循规则来将电路方面的干扰降到最低,以下为常用的一些规则,另外部分厂家的芯片应用手册中也有设计规则可以参照。

1.感应盘到触摸芯片的连线尽量短和细,如果PCB工艺允许尽量采用5mil的线宽; 

2.感应盘到触摸IC的连线不要跨越其他信号线,尤其不能跨越强干扰、高频的信号线;

3.感应盘到触摸IC的连线周围0.5mm不要走其他信号线; 

4.如果使用PCB板上的铜箔图案做触摸感应盘,尽量使用双面PCB,触摸芯片和感应盘到IC引脚的连线应放在感应盘铜箔的背面(BOTTOM),感应盘应紧贴触摸面板; 

5.触摸IC及其相关的外围电路要用45度网格铺地,网格中铜的面积不要超过总面积的40%,连线周围0.5mm不能铺地,感应焊盘和铺地至少保持10mm的距离,感应焊盘正对的背面不允许铺地,也不允许有大面积的铜箔和其他信号线。

以上介绍了四种常用的触摸感应方式,如果各位有什么疑问,欢迎在留言区交流。

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