在現(xiàn)有的所有電子元件中，開關(guān)可以說是最基本的元件之一。開關(guān)和燈通常是向?qū)W生展示的第一個(gè)電路，用于演示電流如何流動(dòng)。工程師可以使用多種開關(guān)技術(shù)，每種技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

大型機(jī)電開關(guān)是控制電網(wǎng)電源的理想選擇，因?yàn)樗鼈兛梢允褂煤?jiǎn)單的機(jī)械設(shè)計(jì)（例如杠桿操作）處理大電壓和電流，而較小的按鈕非常適合用于需要低成本、簡(jiǎn)單解決方案的消費(fèi)電子產(chǎn)品最多處理幾伏。

然而，消費(fèi)電子產(chǎn)品中使用的機(jī)電開關(guān)可能會(huì)遇到一些障礙，包括它們的機(jī)械和電氣循環(huán)次數(shù)有限（這對(duì)于公眾使用的設(shè)備來說尤其成問題，例如芯片和 PIN 閱讀器）。

工業(yè)控制應(yīng)用中使用的開關(guān)也面臨著挑戰(zhàn)。潮濕、多塵或腐蝕性的環(huán)境會(huì)損壞內(nèi)部觸點(diǎn)并堵塞杠桿和執(zhí)行器。由于觸點(diǎn)之間的電弧，此類開關(guān)甚至可能點(diǎn)燃潛在爆炸性環(huán)境。在這些情況下，即使是最小和最簡(jiǎn)單的開關(guān)也需要高 IPX 等級(jí)以確保它們與周圍環(huán)境完全密封。

為了緩解這些挑戰(zhàn)，電容式觸摸傳感器為工程師提供了一個(gè)絕佳的開關(guān)選擇，它沒有移動(dòng)部件，可以提供多點(diǎn)觸控功能，并且可以輕松地進(jìn)行環(huán)境密封。盡管電容式觸摸傳感器在消費(fèi)電子產(chǎn)品中非常流行，但它們并非沒有缺點(diǎn)。希望使用它們的工程師需要了解它們的工作原理以及可能遇到的障礙以及如何克服這些障礙。

了解電容式觸摸傳感器

簡(jiǎn)而言之，電容式觸摸傳感器的行為就像一個(gè)開關(guān)，在檢測(cè)到電容變化時(shí)激活。雖然大多數(shù)其他開關(guān)技術(shù)依賴于機(jī)械動(dòng)作，但電容式觸摸傳感器在手指或手寫筆出現(xiàn)時(shí)激活，而不管施加的壓力如何（盡管通?？梢哉{(diào)整該參數(shù)）。

電容式觸摸傳感器之所以起作用，是因?yàn)樵谡Ｇ闆r下，兩個(gè)表面板之間的電介質(zhì)是空氣。當(dāng)用手指替換空氣時(shí)，介電材料會(huì)發(fā)生變化，從而顯著降低總電容。

電容式觸摸傳感器非常適合需要環(huán)境密封以防灰塵、污垢和油脂的應(yīng)用。例如，廚房表面經(jīng)常被食物和灰塵弄臟，這會(huì)很快損壞機(jī)電開關(guān)。電容式觸摸傳感器不僅不受此類損壞，而且可以輕松擦拭，提供更衛(wèi)生的界面。

這種密封傳感器的能力也有利于預(yù)期在爆炸性環(huán)境中使用的工業(yè)設(shè)備。普通機(jī)電開關(guān)在接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，火花的大小取決于所使用的電壓和電流。如果此類開關(guān)未正確密封，它們可能會(huì)點(diǎn)燃爆炸性環(huán)境。由于電容式觸摸傳感器可以完全密封，因此它們的爆炸風(fēng)險(xiǎn)幾乎為零。

電容式觸摸傳感器的另一個(gè)潛在應(yīng)用是需要許多機(jī)械循環(huán)的設(shè)備。盡管機(jī)電開關(guān)的機(jī)械生命周期可以達(dá)到數(shù)百萬，但某些應(yīng)用需要更多，例如公共交通站的支付終端。由于缺少機(jī)械部件，電容式觸摸傳感器幾乎不受長(zhǎng)期機(jī)械損壞的影響。

最后，電容式觸摸傳感器是自助結(jié)賬屏幕的理想選擇，尤其是因?yàn)榇祟惐砻婵梢暂p松清潔而不會(huì)損壞電容式觸摸傳感器。自 COVID-19 大流行開始以來，這一點(diǎn)變得越來越重要，因?yàn)樽鳛椴《究刂乒ぷ鞯囊徊糠?，許多組織經(jīng)常清潔共享的觸摸屏表面。

集成電容式觸摸傳感器

在集成電容式觸摸傳感器時(shí)，工程師應(yīng)牢記幾個(gè)因素，包括電容式觸摸傳感器的類型、功耗、附近電子設(shè)備的干擾以及靈敏度。

物理特性

最常見類型的電容式觸摸傳感器之一安裝在印刷電路板 (PCB) 上。這種多樣性完全作為 PCB 特征制造，這可能是創(chuàng)建接口的一種極具成本效益的方法。與安裝在 PCB 上的電容式觸摸傳感器相關(guān)的設(shè)計(jì)要求相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要在頂層有一個(gè)電極網(wǎng)格，周圍環(huán)繞著接地層。市場(chǎng)上許多允許直接讀取這些開關(guān)的微控制器進(jìn)一步簡(jiǎn)化了這種傳感器設(shè)計(jì)。

在 PCB 中設(shè)計(jì)電容式觸摸傳感器時(shí)，傳感器的尺寸不應(yīng)超過平均指尖的尺寸；通常，用于 PCB 的電容式觸摸傳感器的直徑在 8mm 到 20mm 之間。如果較大，傳感器將過于敏感，這可能會(huì)導(dǎo)致稱為“手影”的現(xiàn)象，即靠近手或手臂會(huì)觸發(fā)傳感器。

電源注意事項(xiàng)

機(jī)電開關(guān)是不需要電源即可運(yùn)行的無源元件，而電容式觸摸傳感器是完全有源的——它們需要電源，這可能會(huì)在能源效率至關(guān)重要的情況下帶來挑戰(zhàn)。在工作期間，電容式觸摸傳感器通過外部電路充電，充電時(shí)間由微控制器計(jì)算。由于充電時(shí)間取決于電容，手指的存在會(huì)改變最終的充電時(shí)間——這種變化可以在軟件中檢測(cè)到。因此，電容式觸摸傳感器需要充電電流和主動(dòng)掃描傳感器的微控制器。

為了降低電容式觸摸傳感器的功耗，工程師采用了不同的技術(shù)。最常見的是功率循環(huán)。在此階段，電容式觸摸傳感器的檢查頻率較低，以最大限度地減少能源浪費(fèi)。只有當(dāng)檢測(cè)到手指或手寫筆時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)增加每秒的檢查周期數(shù)以確保準(zhǔn)確性。

另一種降低功耗的技術(shù)涉及使用喚醒算法，該算法可以讓微控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)仍在運(yùn)行電容式觸摸外設(shè)。就像電源循環(huán)一樣，此方法只會(huì)在喚醒主處理器以確定要采取的操作之前定期檢查是否存在手指。

噪音和干擾

電容式觸摸傳感器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們?nèi)菀资艿皆肼暫透蓴_的影響。因此，工程師必須確保盡可能消除或減輕干擾源。例如，電源的波動(dòng)很容易將噪聲注入傳感器本身，尤其是開關(guān)電源和微控制器操作引起的高頻噪聲。因此，電源和微控制器必須具有足夠的去耦和低通濾波器。

一個(gè)特別麻煩的干擾源是外部電磁干擾 (EMI)，因?yàn)殡娙菔接|摸傳感器是充當(dāng)天線的大板。因此，工程師必須通過提供足夠的接地平面并使傳感器電路遠(yuǎn)離噪聲元件來保護(hù)傳感器免受噪聲 EMI 源的影響。

環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響電容式觸摸傳感器的感應(yīng)能力，這主要是因?yàn)槭种傅慕殡姵?shù)隨溫度變化很大。盡管人類的核心溫度穩(wěn)定，但他們四肢的溫度可能會(huì)發(fā)生巨大變化，而這些變化會(huì)導(dǎo)致難以檢測(cè)到手指的存在。同時(shí)，較低的溫度也會(huì)減少皮膚上的水分含量，從而影響電容式觸摸傳感器的工作方式。

靈敏度

電容式觸摸傳感器產(chǎn)生非線性模擬輸出（與簡(jiǎn)單的數(shù)字開/關(guān)輸出相反），因此它們不僅僅用于簡(jiǎn)單的檢測(cè)。例如，此非線性輸出可用于確定手指施加的距離和壓力，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能。

雖然在某些應(yīng)用中可能需要這種非線性特性，但對(duì)環(huán)境條件的敏感性會(huì)使電容式觸摸傳感器難以調(diào)諧。例如，多塵環(huán)境中的電容式觸摸傳感器需要提高靈敏度，而潮濕氣候等潮濕環(huán)境可能需要降低傳感器靈敏度。

電氣規(guī)格

電容式觸摸傳感器對(duì)工作電壓具有極高的耐受性，許多本身支持電容式觸摸傳感器的微控制器將集成所有必要的電壓驅(qū)動(dòng)器和電流讀取器來操作開關(guān)。因此，設(shè)計(jì)工程師通?？梢詫⒆⒁饬性陔娙菔接|摸傳感器的物理尺寸和設(shè)計(jì)上，而不用擔(dān)心電壓電平、總線轉(zhuǎn)換器和其他電氣考慮因素。

安裝和布局設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電容式觸摸傳感器的藝術(shù)很復(fù)雜，需要考慮傳感器的尺寸、接地層的使用以及覆蓋傳感器的材料等設(shè)計(jì)考慮因素。對(duì)于工程師來說幸運(yùn)的是，許多深入的資源描述了不同的傳感器設(shè)計(jì)以及使這些傳感器工作所需的計(jì)算。此類資源通常由包含電容式觸摸傳感器外圍設(shè)備的微控制器制造商發(fā)布。

如前所述，電容式觸摸傳感器必須遠(yuǎn)離嘈雜的 EMI 源。傳感器周圍的接地也很重要，工程師應(yīng)考慮整個(gè)設(shè)備的外殼。例如，未接地的金屬外殼會(huì)將噪聲引入電容式觸摸傳感器，從而難以可靠地檢測(cè)到按壓。

接口

雖然設(shè)計(jì)工程師可以創(chuàng)建自己的電容式觸摸界面，但使用眾多現(xiàn)成解決方案中的一種要容易得多。在大多數(shù)情況下，這些微控制器具有直接驅(qū)動(dòng)電容式觸摸傳感器所需的所有外圍設(shè)備，這不僅消除了對(duì)外部組件的需求，而且還降低了最終設(shè)計(jì)的價(jià)格和尺寸。

校準(zhǔn)

校準(zhǔn)是集成電容式觸摸傳感器時(shí)極為重要的一步。在沒有某種校準(zhǔn)步驟的情況下，再多的理論和計(jì)算也不允許在工廠中對(duì)電容式觸摸傳感器進(jìn)行一次編程；因此，工程師應(yīng)該考慮如何在制造過程中或在客戶的首次設(shè)置階段集成校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)電容式觸摸傳感器的最佳方法是獲取多個(gè)讀數(shù)，找到平均值，然后加上裕度。通過這樣做，可以保證每次按下開關(guān)都會(huì)激活，并且余量可以考慮濕度、溫度和碎屑的輕微變化。最后，還可以通過執(zhí)行多個(gè)相同的動(dòng)作、記錄數(shù)據(jù)、對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，然后將這些數(shù)據(jù)輸入用于識(shí)別手勢(shì)的算法來校準(zhǔn)高級(jí)手勢(shì)控制——或者如果使用人工智能 (AI)，訓(xùn)練 AI從收集到的原始數(shù)據(jù)。

結(jié)論

盡管電容式觸摸傳感器可能需要微控制器來操作和屏蔽噪聲源，但由于其全固態(tài)設(shè)計(jì)、相對(duì)較低的成本和對(duì)手勢(shì)的支持，它們是工業(yè)控制應(yīng)用中傳統(tǒng)機(jī)電開關(guān)的絕佳替代品。本文概述了電容式觸摸傳感器及其一些用途和設(shè)計(jì)。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱傳感器和支持它們的微控制器的數(shù)據(jù)表和應(yīng)用說明。（作者：Mouser Electronics 的 Robin Mitchell）