前言】 隨著科技時代的進步，現今電器設備的操作由傳統的機械式開關控制，逐漸演變到用觸摸(1D、2D)式的控制。 隨著疫情的影響，還有更高級的⌊隔空揮舞⌉、不會接觸到面板來控制的3D 手勢控制…，也逐漸出現在人們的生活之中。 本文先就最簡單的1D 控制來解說其原理， 這樣的原理會出現在魚乾我的下一個DEPA實際運用之中，請各位大大拭目以待~ 咱先不就各種現實面的干擾來深入探討，僅就以理想的理論來說明與實現: 【原理】 什麼是電容感測? 電容值取決於兩者的重疊面積以及它們之間的距離。 各材質的介電係數: 人體(手指)在PCB 或感測點上引入並產生"並聯電容" CP: Parasitic capacitance (寄生電容) CF: Finger capacitance (手指電容) Cs: total Sensor capacitance (感測點的總電容) Sensor Capacitance (CS) = CP+ CF 相對於電路接地，電容是電路電極上的電容量。 基本電容由寄生電容、傳感器電容和接地返回電容組合而成。 這些形成“未觸及”或預設的電容組合中，在校準期間測得、並當做參考位準以檢測手指觸摸時的電容變化。 當人體觸碰接觸電極時，通過引入平行路徑增加了傳感器的表面電容並通過“人體模型”（HBM）到接地。 ** HBM的電阻 Rh _ 不影響觸摸靈敏度 各電容名的解釋: Ct 可近似為由觸摸傳感器電極和用戶指尖組成的平行板電容，由覆蓋材料形式的電介質隔開， 使用者(手指)放置在固體表面上可以近似為直徑在 5-10毫米之間的圓盤， Ch: 人體對地的自電容、因人體體質關係大約為100pF ~200pF之間。 Cg 應用直流接地與大地之間的耦合電容， 範圍從小型電池供電設備中的~1 pF 到直流電的無限電容（短路），在串聯電容器中，主要影響是最小的。
公式 1-1電容的串聯: Ct 遠小於 Ch，並且在大多數應用中，Ct 也遠小於 Cg，因此 Ct 決定被測電容的變化。 例: Ct = 1 pF, Ch = 100 pF, Cg = 1 pF → CTotal = 0.98 pF
但是，在 Cg 非常低（例如 2 pF）的應用中，靈敏度會顯著提高 Ct = 1 pF, Ch = 100 pF, Cg = 2 pF → CTotal = 0.662 pF 測得的觸摸增量減少了約 33%
傳感器的設計 在設計傳感器時，可以從平行板電容器公式推導出 Ct 的簡單近似值。 公式 1-2 併聯平行電容 其中“A”是平行面積，“ϵ”是由真空介電常數 ϵ0 乘以定義的電解質介電常數 相對介電常數εr，d是觸膜層的厚度(或是手指到電極的距離)。 → 通過大傳感器電極(面積)、薄的觸膜層和高介電常數覆蓋材料實現最強的觸摸增量。 例:
→所得電容計算如下：
按鈕傳感器設計 電容傳感器最簡單的實現方式是按鈕型式。 按鈕可視為是單一個傳感器、為二進制狀態： 檢測中或檢測外， 當觸摸時電容 Ct增加的量超過觸發臨界值，傳感器會被偵測出有觸摸動作。 傳感器被用戶觸摸或觸摸仿真器（例如導電條）觸摸，該導電條通過人體模型電路方式接地。 閾值設置為最大觸摸增量的比例（通常為 50%）。
圖 1-3。 按鈕傳感器增量和閾值
觸摸電極是一塊導電材料，例如非導電基板上的銅。 常見形狀是圓形或矩形實心區域，也可以使用具有足夠觸摸接觸面積的任何形狀。 但是電極形狀需為圓弧狀以減少靜電及尖端放電的情況發生。
如果有需要、也可以將電極設計為（例如 50% 的網格狀）。 但這不僅會減少傳感器電極的負載電容，也減少了觸摸電容板的面積導致靈敏度成比例下降。
圖 1-5。 帶網狀填充的標準按鈕
下篇將介紹使用MCU 的ADC 結合Capacitive Voltage Divider (CVD)來做為觸摸的偵測與控制。 |
