用差分电容检测技术实现消费应用中的高灵敏触摸开关

作者:安森美半导体  来源:中国电子商情

发布时间:2016-05-23

随着科技的发展和进步，以及消费者希望产品使用界面更直观、更方便和更智能的需求，触摸开关迎来了发展热潮。在我们的日常生活中，触摸开关已随处可见，无论是消费电子如电视、机顶盒及其遥控器、白家电如洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机外设如打印机、传真机和显示器，还是汽车仪表盘等应用。作为传统机械式开关的替代方案，触摸开关有着无可比拟的优势。

触摸开关的优势
触摸开关能以滑动或转轮、甚至无需接触的近程方式启动开关，消除机械磨损问题，提供极佳耐久性，而设计人员在进行设计时，也能充分考虑物理尺寸和产品外观，实现比机械式开关更灵活的设计和更直观的用户接口，增强可操作性。此外，由于触摸开关不需按键，设计人员能够在电气元件外增加外层材料作为保护屏障，从而显著减轻开关受到恶劣环境如潮湿、水、油或灰尘等等的影响，并且易于清洁。从成本方面来讲，由于触摸开关不需机械开关端子，往往可以降低成本，当然这取决于具体设计。虽然用户在使用触摸开关时，通常不会感到开关的物理反应，因而不知道是否启用了开关，但设计人员可在使用触摸开关进行设计时，加配特性如光、声或其它形式的物理反应，以显示开关已被启用，这将增强设计元素及终端应用的功能，创建更积极的用户反应。

表1  触摸开关与机械式开关对比

触摸开关的工作原理
触摸传感器是实现触摸开关的关键元件，触摸开关通过触摸传感器感测指尖等的触摸信息进而控制操作。以近年来日益增长和普及的电容式触摸传感器为例，它使用人体电容作为输入，检测任何导电体或不同于空气的电介质，如多点触摸及基于手势的触摸屏等都是基于电容式感测技术。电容式触摸传感器分为自感测和互感式两种类型：自感测在地电平与传感器垫之间形成，当手指等物体接近传感器垫时，它的电容增加，因而提供回应信号；而互感式感测中，电容在传感器垫与励磁垫之间形成，互感式感测使用一个参考电容(Cref)，此参考电容采用电力线与传感器垫进行通信，以感测电力线的不规则情形，当手指接近传感器垫时，即阻碍电通量的流动，并减小电容，如果传感器垫与参考电容之间的电力量级存在差别，就发送回应信号。

图1  电容式触摸传感器的工作原理

电容式触摸传感器方案的独特之处
触摸传感器可以置于密封空气、防尘及防水玻璃护罩的背面，这在搅拌机等可能经常沾染液体和灰尘的应用中尤为重要，但市场上有些触摸传感器方案在厚玻璃层后或在元件之间气隙太大的情况下，并不总是支持高速运动及高灵敏度而难以有效工作。

安森美半导体创新的电容式触摸传感器方案LC717Axx系列，可帮助设计人员克服此设计挑战。即便用户隔着厚材料、大气隙，甚至是戴着多层手套，仍然可以自如地操作触摸传感器开关。该方案采用独特的自动内置噪声及环境变化补偿功能技术，防止和补偿跟噪声相关的不正常工作，以及因灰尘或油垢、温度或湿度等环境变化导致的灵敏度差异，消除气隙及材料厚度、响应速度方面的设计顾虑，能让设计人员更快地构建及应用设计。

一般来讲，触摸灵敏度下降可能是由寄生电容引起， LC717Axx系列集成差分输入电容电压（CV）放大器，提供高灵敏度、高响应速度及优异的抗噪性能。当测量到静电电容时，在CV放大器、传感器输入电容（CinX）和Cref之间形成虚拟短路，此时寄生电容显然为0，从而消除了寄生电容对灵敏度的影响。

参考电容与驱动电容（C drv）之间以及输入电容（CinX）与驱动电容的差分电容（ΔC），使用独特的CV转换放大器技术来转换为电压。不同于其它常见方法，如果两个电极之间包含类似噪声，差分检测方法受噪声的影响较低。因此，差分电容检测抑制噪声能力强。


图2  差分电容检测抑制噪声能力强

可能有些工程师会担心，触摸开关方案的高灵敏度是否存在安全隐患，是否会因触摸开关区域表面而意外导通，引发意外事故。LC717Axx系列可帮助设计人员克服此顾虑，使设计人员能够选择开关图案，并改变触摸响应等级，优化触摸开关应用具有的优势，为用户提供安全操作。

此外，设计工程师通常会认为触摸开关比机械开关的成本高，但安森美半导体的电容式触摸开关方案无需外部元件，提供更多用户界面功能，配置参数的初始化设置如增益，能直接连接至常见的MCU并执行独立操作，无需内置MCU，对于某些要求更高灵敏度方案的终端应用，设计人员能够根据其需要调整响应时间，因而从整体上来讲，它可能还降低系统总成本，同时简化设计，加快产品上市。

安森美半导体的电容式触摸传感器方案LC717A00包含8路电容感测输入，内置逻辑电路检测每路输入的导通/关断状态并输出结果。在电源激活时或一旦环境发生变化，内置逻辑电路会自动执行校准功能。而且，LC717A00还提供与I2C和SPI总线兼容的串行接口，可根据需要使用外部元件对参数进行调节。

应用实例——搅拌机
以白家电中普通的厨房搅拌机为例，这类应用通常使用多个机械式开关。如图3所示，这台搅拌机开关面板上有8个按钮，每个按钮都配备黄圈所示的机械开关一个。机械开关附着在开关面板的背面。按下表面开关面板上的按钮即可控制机械开关，启用及关闭搅拌机的各种功能或调节速度。如果我们使用安森美半导体的触摸传感器方案，则可以1颗LC71700替代8个机械式开关，而且根据具体的设计布线，还可能降低元器件成本及减小电路板空间，简化设计，优化用户体验。
 

图3   以1颗LC71700替代8个机械开关

设计注意事项
这项安森美半导体专利的差分电容感测技术可提供高灵敏度及高噪声抗扰度，自动针对温度及湿度变化提供补偿，防止错误的触摸检测及因环境变化导致的操作故障。为确保使用LC717xx系列设计的触摸开关表现出尽可能好的性能，设计人员需注意以下几点：
1．氧化铟锡(ITO)是大多触摸屏必然会使用的一种材料，而对任何大规模集成电路来说，ITO产生的线路阻抗可能会影响到电路性能，进而降低灵敏度。为减小对灵敏度的影响，需确保使ITO布线尽可能短。
2．水滴或雨滴不会影响触摸开关性能，但若液体覆盖整个面板，将会引起液体和地平之间非常强的电气连接，从而导致误操作。解决这问题的对策是以驱动电容覆盖整个易受水部分。
3．抑制噪声影响
1). 如果担心噪声引起的通信故障，我们建议使用SPI接口。因为SPI的阻抗比I2C的阻抗低，因而它的噪声抗扰度较I2C高。根据我们的噪声测试（上拉寄存器=3.3 kΩ，VDD=3.3 V，噪声幅度=9.0 Vpp，噪声频率=1~75 MHz）， SPI接口的噪声干扰度为75MHz，远远高于I2C接口的35 MHz。
2). 静电放电（ESD）
LC717xx系列符合IEC61000-4-2 Level  4（接触放电：8 kV，空气放电：15 kV），保证了用户操作的安全性。为进一步提高防静电性能，可在LC717Axx的Cin、Cref和Cdrv端分别串联限流电阻。
3). 电磁干扰（EMI）
如果无线电天线靠近开关，可从无线电听到噪声，这是由Cdrv端输出的143 kHz（典型值）矩形方波引起的。Cdrv端的矩形方波包含143 kHz基波和许多143 kHz奇数倍的谐波，可在Cdrv端添加一个CR低通滤波器以减少这谐波，从而抑制电磁干扰。
4).环境校准
如果需要长时间的持续工作，如持续工作24小时，我们建议定期对LC717xx系列进行初始化（静态偏移校准和改变寄存器参数）以提高可靠性。

结语
只需指尖轻触或滑动，就能控制操作，触摸开关因其灵活、耐用、卫生、美观等多种优势而受到消费者青睐，其性能有赖于作为其核心器件的触摸传感器技术的发展。灵敏度和噪声抗扰度是触摸传感器的两个关键技术指标。安森美半导体的电容式触摸传感器方案LC717xx，基于专利的差分电容感测技术，提供极佳灵敏度和噪声抗扰度，极其适用于戴手套操作或需要气隙或厚保护玻璃的应用。该系列器件符合IEC61000-4-2 Level  4，消除设计人员对安全性的顾虑，而且该方案集成度高，有助于工程师解决成本方面的设计挑战，加速应用开发进程。