可见只要改变铁芯和衔铁之间的气隙或气隙截面积就可以改变磁路的气隙磁阻。 当压力作用于衔铁上，衔铁和铁芯之间的气隙d发生变化，引起气隙中的磁阻发生变化，从而导致线圈电感量的变化。再由处理电路，常用的处理电路有交流电桥式、变压器式以及谐振式等，把这个电感的变化转化成相应的电信号输出，从而达到判断按压动作的目的。 电感式压力传感器，具有结构相对简单，没有活动的电触点，寿命长，工作可靠。其致命缺点是自身频率响应低，不适合需要快速动态检测的应用场景。 4.3 红外式压力传感器检测技术 红外式压力传感器检测技术是利用红外线的物理特性进行按压位移检测的传感器检测技术。 红外线是一种不可见光，具有光线的所有特性，比如透射、反射、折射、散射、吸收等等。红外传感器根据红外光产生的方式可以分为主动式红外传感器和被动式红外传感器。在红外式压力传感器检测技术中，使用的是主动式红外传感器。 主动式红外传感器技术主要采用一发一收的系统结构，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理等部分组成。发射机中的红外发光二极管在电源的激发下发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，把光信号转成电信号，经电路处理后传输给MCU处理。从而在发射机和接收机之间形成一条红外光束组成的警戒线。正常情况下，接收机接收到一个稳定的光信号，当发射机和接收机发生错位时，或红外光反射、折射距离变化时，必然会全部或部分遮挡红外光束，使得接收机接收到的红外信号发生变化，输出的电信号的强度会因此发生变化，从而检测出发生位移。 在使用主动式红外传感器检测位移时，需要保证以下条件： ① 发射机和接收机的安装位置需要处于同一平面，且夹角固定，确保发射机发射出的红外光被接收机有效接收。 ②当发生位移时，需要发射机和接收机之间的位移要有足够的大的位移行程，确保红外信号的变化能被检测出来。由于需要机械位移行程，结构上就会存在空隙，就会带来防水问题，这就需要增加额外的结构设计来解决防水问题。 ③在不同使用温度环境中，发射机发射出的红外光束不能出现明显的变化。对于环境温度过低的场景，需要专用的加热器以保证探测器的正常工作。 ④在整个产品的使用周期中，需要为红外检测系统提供一个相对干净、密封的工作环境，以避免出现水汽、灰尘的脏乱情况，确保在相同位移行程的条件下，产生的信号变化量一致。 综上所述，利用红外检测技术实现压感操作，存在如下痛点： ①结构不能设计成一体式结构，存在防水问题。 ②对红外光发射装置和接收装置安装位置要求位于同一平面，且夹角固定，精度要求高，增加生产装配难度。 ③需要增加额外的防尘、防水设计，以达到防尘防水要求，减少红外光束反射。 ④发光管线性度差，软件算法复杂。 ⑤系统复杂，功耗高，器件多，成本高。不能使用在高密度按键区域。 4.4 MEMS压力传感器检测技术 MEMS压力传感器检测方案，是一种高灵敏度的、高集成的、采用硅工艺的压力检测方案。通过MEMS元器件作为敏感器件，将触摸表面的形变转化成电压变化，通过芯片内部电路将电压模拟量转化为数字量，再通过芯片内置的比较器，对按压操作进行判断。 该方案优点在于能检测出触摸按压面板的微小形变，在理想情况下具有高灵敏度的特性，同时硬件设计简单，无设计门槛。与此同时，在产品设计、生产过程及性能方面存在如下问题，限制了其大规模在汽车应用的可行性： ①传感器芯片尺寸小，厚度薄，强度小，导致芯片在运输、保压甚至是用户使用过程中非常容易损坏，这是高可靠性要求的汽车应用中首要规避的问题。 ②如图九所示，传感器采用面贴在触摸按压面板下方方案时，双面胶需要足够的保压时间和压强进行激活，由于MEMS芯片表面受力强度有限，保压贴合难度高。
图九 MEMS压力传感器面贴叠层结构 ③如图十所示，传感器采用简支梁方案将力从触摸面板直接传导作用在传感器表面时，由于MEMS芯片表面受力强度有限，设计上要求简支梁末端与传感器表面的位移行程控制在0.1mm±0.05mm范围内。对结构、装配精度提出了很高的要求，大大增加了生产难度和生产成本。
图十 MEMS压力传感器 简支梁叠层结构 ④由于sensor布局在芯片底部，焊锡高低，焊接饱满程度对芯片灵敏度的影响非常大，对焊接工艺要求高。 ⑤MEMS压力传感器输出的是经过ADC采集的数字信号，无法直接测量传感器桥臂电阻，可测量程度较低。 ⑥对于较大面积的智能表面应用来说，需要多颗传感器覆盖整面，MEMS压力传感器采用传感器与测量芯片合封方式，无法实现单颗芯片支持多路压感传感器，导致整体成本较高。 4.5 惠斯通电桥柔性压力传感器检测技术 4.5.1 基本原理 惠斯通电桥柔性压力传感器，是一种基于压阻式材料的微压力传感器，采用惠斯通电桥结构，将触摸表面的按压形变转化成电压变化的模拟量。可同时检测拉伸或压缩两种应变，如果受到的是压缩力，其电阻值会限制变小；如果受到的是拉伸力，其电阻值会显著变大。 传感器的原理如图十一所示：
图十一 惠斯通电桥传感原理 传感器产生的信号与曲率的关系为：
其中： K:应变系数 ε：应变 Vcc：传感器供电电压 该压力传感器检测技术中，影响检测灵敏度的关键因数有两个，一是传感器供电质量，二是温度的影响，传感器电阻值随温度变化，如果桥臂上的电阻在不同温度区域内，电阻值温度变化不同，会带来测量误差。上海泰矽微电子有限公司的TCAE31A从硬件以及软件两个方面很好的解决了这两个问题，TCAE31A芯片内部提供了一个高质量低纹波的电源专供传感器。温度对传感器的影响，则可通过泰矽微提供的软件算法实时进行基线修正和补偿。 基于TCAE31A低至3.6uV的电压分辨率和传感器的灵敏度，有效量程曲率半径可达0.91至1944米，具有极高的灵敏度和形变及压力承受能力。 4.5.2 独特优势 惠斯通电桥柔性压力传感器检测技术具有如下优点： ①高灵敏度，面板微小的形变即可产生变化较大的电压差，可直接检测面板形变。 ②面板材质要求宽松，适用性强。 ③面板一体化，易实现整体防水。 ④易安装，可选择面贴方式贴附在触摸按压面板下方，也可贴附在PCB上，选择简支梁方式将力传导到PCB上，简支梁作用点不需作用在传感器上。 柔性压力传感器面贴方案叠层结构如图十二所示：
图十二 柔性压力传感器面贴叠层结构 柔性压力传感器简支梁方案叠层结构如图十三所示：
图十三 柔性压力传感器简支梁叠层结构 ⑤装配精度要求不高，生产成本低。 ⑥具有正向压阻效应，输出线性度高。 ⑦压力承受能力极高，不易损坏。 ⑧技术成熟稳定，已在各类全球知名电子产品品牌中累计生产数亿片，经受过大批量产业化验证和技术迭代。 ⑨多传感器应用中，传感器可共用一颗专用芯片，总体成本低。 4.5.3 常见问题/FAQ 以下列举针对于该传感技术的部分常见问题，以供参考： 1. 如何考虑高低温、剧烈振动情况所带来的PCB材料、胶水材料、压感传感器、外壳材料等形变问题而产生的数据误判问题？ a) 本方案所选用的传感器在材料选择上规避了具有较强粘弹性属性的高分子材料，可有效控制振动和高低温等环境变化带来的影响。同时，针对温度冲击对压感误报影响，在算法和方案层面也做了双重优化，即，通过实时基线追踪修正所有相关环节带来的漂移，可有效规避温度冲击带来的误报。整个实现方案，从传感器材料选型和设计到芯片的硬件电路设计再到算法，全部都有相应原创专利技术保障整体方案在环境变化方面的高可靠性。 b) 关于机械振动给PCB材料、胶水材料、压感传感器带来的影响主要体现在金属疲劳和信噪比方面。金属疲劳主要集中在焊锡上，这一点汽车电子已经广泛使用，非常成熟。信噪比方面主要是通过芯片内部实现的超低噪声信号调理电路，共模抑制电路及小信号放大电路予以保障，积分噪声低至10nV√H z，外加全链路22bit的有效分辨率，确保了整个信号链路的高信噪比性能。 2. 如何考虑生产过程装配的一致性，品控保证，测试方案，良率问题? 量产装配制程必然会带来物理一致性问题，本方案所选用的传感器在其他各类产品上已积累大量量产经验。累计数量超亿片，主要集中在如下两点：1）关注方案设计及制造因素，提前优化设计制造细节要点，保障物理一致性及方案信噪比均值，同时关注制造过程中相应细节实施。2）产线实施校准措施，软件补偿物理一致性。泰矽微会协同传感器厂商全程协助做好以上两点的保障，确保量产过程整体一致性。 3. 压力方案所带来的可能失效的边界问题； 压感失效可能如下： a) 方案问题，比如方案理论信号量均值偏低，主要通过理论仿真和实验测试规避，泰矽微会协助每个客户的每个项目进行相关仿真和方案推荐。 b) 制造问题，主要通过理论分析优化提前预警，提出设计要点规避。同时，制造环节把控这些干扰项。 c) 可靠性问题，关于这一点主要两方面。1）方案设计，确保设计合理，规避风险。2）通过前期功能机进行相关合理测试验证。 4. 压力传感器的线性度如何，温度变化是否会影响压力传感器的工作 本方案采用的压力传感器线性度很好，传感器输出的差分电压值跟压力形变具有标准的线性特性。温度变化确实会对压力传感器的静态底噪，还有压力和形变的斜率关系造成影响，但影响不了线性特性，只是对应的斜率会有变化，这个需要MCU在压力传感器的算法里面根据温度的因素去做动态调整。另外温度变化有时也会引起结构件的形变，会被反映到压力传感器上，导致传感器原始数据的底噪整体被提升或者被降低，可在与之配套的MCU在底噪触发特定阈值的时候进行offset自动动态调整。 5. 压力传感器的灵敏度如何，是否需要每个按键的位置都配置一个压力传感器，如何评估具体方案中需要多少颗压力传感器 该压力传感器灵敏度很高，典型值为7000uV/m-1，最大变形曲率1.1 m-1，能够检测到微米级别的形变。无需每个按键位置配备一颗芯片进行检测，通过结合电容触控技术，可以做到多个按键共享一颗压力传感器，多个传感器共用一颗专用MCU，尤其适合智能表面应用，具体选用颗数，摆放位置及安装方式等需经过结构仿真最终得出结论。泰矽微全程协助客户进行仿真和方案开发直至量产。 4.6 各压力传感检测技术方案特性对比分析： 表一：压力传感检测技术特性对比
5 泰矽微双模3D触控方案介绍 本篇前文分析了传统电容触控方案在汽车人机交互应用中的局限性，分析了不同压感技术的优缺点，从中不难得出如下两个结论，1）越来越多的汽车内外饰的智能触控和智能表面需要结合多种触控技术来实现更多更可靠的交互功能；2）电容触控和基于惠斯通电桥原理的压力传感技术融合方案在目前阶段是最优组合。通过压力传感可以非常可靠的识别按压动作，我们称之为Z轴触控，同时，通过电容触控来标定按压的精确位置，称之为XY轴。通过两者融合形成XYZ三轴形成的3D触控方案。
图十四 3D触控示意图
5.1 泰矽微3D触控芯片TCAE31A介绍 基于如上融合方案需求，泰矽微于2022年3月发布了业内首颗车规级双模人机交互芯片TCAE31A，在单芯片内同时集成了电容触摸和压感技术，实现了真正意义上的3D触控。方案一经推出就获得了市场高度关注与青睐，并逐步进入多个主流汽车主机厂的定点项目中。
图十五 TCAE31A芯片结构框图 TCAE31A的产品特性如下： 基于Arm® Cortex®-M0 内核，工作主频高达32MHz，芯片内部集成64KB Flash 和 4 KB SRAM 基于自有专利技术Tinywork®，实现外设之间的信号联动，可以大大降低应用方案的动态功耗 超低功耗设计，静态功耗低至3uA，单通道压感平均功耗低至18.7uA 单芯片可实现2路压感+10路电容触摸通道，并具备可扩展性 内置专利技术的压感和触摸融合算法 信号链有效分辨率高达22位，可提供高灵敏度，高分辨率，高信噪比及高线性度的压力传感检测 支持LIN通信协议栈 支持基于UDS的bootloader升级方案 8kV HBM ESD 满足AEC-Q100 Grade 2(-40℃~105℃) QFN28 4mm*4mm*0.75mm封装 5.2 基于TCAE31A的生态系统介绍 TCAE31A提供标准的EVK开发套件，完整的SDK开发包，包括数据手册，用户手册，驱动，样例，KEIL Pack包，PC端调试工具等。即使从未接触过压力感应和电容触控技术的嵌入式工程师，也可以在非常短的时间内完成一个高质量的产品应用开发。SDK软件架构如图十六：
图十六 TCAE31A软件架构 |
