深度剖析电容式触摸感应

一、电容器可能很敏感

在过去十年左右的时间里，很难想象一个没有触敏电子产品的世界。智能手机是一个突出且无处不在的例子，但当然，有许多设备和系统集成了触摸感应功能。

电阻和电容都可以用作实现触摸灵敏度的手段;在本文中，我们将仅讨论电容式触摸感应，它已成为首选实现方式。

虽然基于电容式触摸传感的应用可能相当复杂，但该技术的基本原理相当简单。事实上，如果您了解电容的本质以及决定特定电容器电容的因素，那么您就可以很好地理解电容式触摸传感。

电容式触摸传感器分为两大类：互电容配置和自电容配置。前者由作为发射电极和接收电极的两个端子组成，是触敏显示器的首选。

后者将传感电容器的一个端子接地，是一种适用于触摸感应按钮、滑块或滚轮的简单方法。本文介绍自电容配置。

二、PCB电容器

电容器有多种形式。我们都习惯于看到引线元件或表面贴装封装形式的电容，但实际上，您真正需要的只是由绝缘材料（即电介质）隔开的两根导体。因此，

使用集成到印刷威廉希尔官方网站 板中的导电层创建电容器非常简单。例如，考虑以下用作触摸感应按钮的PCB电容器的顶视图和侧视图表示（请注意，侧视图图中省略了阻焊层）+1a

触敏按钮和周围铜之间的绝缘隔离形成一个电容器。在这种情况下，周围的铜连接到接地节点，因此，我们的触摸感应按钮可以建模为触摸敏感信号和接地之间的电容器。

在这一点上， 您可能想知道这种小PCB布置实际上提供了多少电容。此外，我们如何准确地计算它。要回答第一个问题，电容非常小，可能在10

pF左右。至于第二个问题：如果你忘记了静电，不要担心，因为电容器的确切值无关紧要。我们只寻找电容的变化，我们可以在不知道PCB电容器的标称值的情况下检测到这些变化。

三、手指的作用

那么是什么原因导致了触感控制器将要检测到的这些电容变化呢？就像上图，人类的手指，原因。

在我们讨论手指为什么改变电容之前，重要的是要了解这里没有直接传导;手指通过PCB的阻焊层与电容器绝缘，通常还通过一层塑料将设备的电子设备与外部环境隔开。因此，手指没有对电容器放电，此外，在特定时刻存储在电容器中的电荷量不是目标量，相反，感兴趣的量是特定时刻的电容。

那么，为什么手指的存在会改变电容呢？原因有二：第一个涉及手指的介电特性，第二个涉及手指的导电特性。

四、电介质

我们通常认为电容器具有固定值，由两个导电板的面积，板之间的距离以及板之间材料的介电常数决定。我们当然不能仅仅通过触摸来改变电容器的物理尺寸，但是我们可以改变介电常数，因为人的手指具有与它所放置的材料（大概是空气）不同的介电特性。确实，手指不会位于实际的介电区域，这意味着导体之间的绝缘空间，但这种对电容器本身的“侵入”是没有必要的。

如上图所示，手指不需要在板之间来影响介电特性，因为电容器的电场延伸到周围环境中。

事实证明，人的肉体是一种很好的介电材料，因为我们的身体大多是水。真空的介电常数定义为1，空气的介电常数略高（在海平面和室温下约为1.0006）。水的介电常数要高得多，约为80。因此，手指与电容器电场的相互作用表示介电常数的增加，从而增加电容。

五、导体

任何经历过电击的人都知道人体皮肤是导电的。我上面提到，手指和触摸感应按钮之间的直接传导（即手指对PCB电容器放电的情况）不会发生。然而，这并不意味着手指的导电性无关紧要。它实际上是非常相关的，因为手指成为附加电容器的第二个导电板。

出于实际目的，我们可以假设手指产生的这种新电容器（我们称之为指帽）与现有的PCB电容器并联。这种情况有点复杂，因为使用触敏器件的人没有与PCB的接地节点电连接，因此两个电容器在典型的威廉希尔官方网站 分析意义上不是“并联”的。

但是，我们可以将人体视为提供虚拟地面，因为它具有相对较大的吸收电荷的能力。无论如何，

我们不需要担心指帽和PCB帽之间的确切电气关系;重要的一点是，两个电容器的伪并联配置意味着手指将增加总电容，因为电容器是并联的。

因此，我们可以看到，控制手指和电容式触摸传感器之间相互作用的两种机制都有助于电容的增加。

六、接触或接近

到目前为止，我们可以得到一个有趣的电容“触摸”感应点，即电容的可测量变化不仅可以通过手指和传感器之间的接触产生，还可以通过手指和传感器之间的接近产生。我通常认为触敏设备是机械开关或按钮的替代品，但电容式传感技术实际上引入了一个新的功能层，允许系统确定传感器和手指之间的距离。

上述两种电容变化机制都会产生与距离成正比的效果。对于基于介电常数的机制，当手指靠近PCB电容器的导电部分时，与电容器电场相互作用的肉质电介质量增加。对于基于电导率的机制，指帽的电容（与任何电容一样）与导电板之间的距离成反比。

但请记住，这不是测量传感器和手指之间绝对距离的方法;电容式传感不提供执行精确绝对距离计算所需的数据类型。我假设可以校准电容式传感系统以进行粗略的距离测量，但是由于电容式传感威廉希尔官方网站 旨在检测电容的变化，因此该技术特别适用于检测距离变化，即当手指靠近或远离传感器时。