触摸感应应用的设计准则

STMCU小助手 · 2022-07-22T14:00:02+00:00

前言 9 ^! f* c: ?0 t v9 t4 }( T本应用笔记介绍了适用于触摸感应应用的布线和结构设计准则。4 Z! N1 f2 R t: E9 S) | S 与机械用户界面相比，电容感应界面的优势相当多。它们：7 v, d5 ]! s* r ● 具有时尚的外观和风格 . E% F! E* h" N/ L● 易于清洁 + Z# R, h& N+ q% u● 防水1 ?/ w; K/ i0 W { ● 耐用 0 K; _: X" n% W, S" A' w* _使用电容感应界面的应用越来越多。& P+ i+ H& x U" }8 k* e 设计这类界面主要难点在于确保各项目之间不会相互干扰。6 j, p, g! V3 ^5 x9 d1 t5 U. Y 本文档提供的简单准则主要涵盖以下三个方面： * `& n8 W4 d: z* `. [; v1. 印刷电路板 (PCB) 0 C) d" B+ E' x9 k: T1 {* E2. 涂层和面板材料' t* w1 F7 ?9 P- J6 G2 c 3. 电容感应环境中其它所有项目& @! i# d- t) q4 W1 F8 q# E 根据正在设计的应用，用户可能不必阅读本文档中的全部内容。阅读完包含主要电容感应准则的通用部分后，用户便可转到相应章节。例如，如果开发只使用投射式电极的应用，应首先阅读主要电容感应准则，然后直接转到介绍适合投射式电极设计的具体建议的章节。& x, M: u; c2 M# V% u7 R- r) o 表 1 列出了本应用笔记所涉及的微控制器。 " W' m" A8 j& `6 z: o3 |/ Y 5 }4 n. K z& U7 l. K* e& ` ! J. I9 s" j) I8 s" X4 a, Z . V0 s' j' F; M) S1 F$ |1 ST 的电容感应技术 & X: n% h4 Z) I% C7 S% @意法半导体的 STM8 和 STM32 系列产品采用不同的电容感应技术。这些技术基于：8 I. j, z2 K- A3 F5 Y ● STM8A、STM8S 和 STM8L 微控制器的 RC 采集原理。 ) ^8 j& Q) G3 r2 A; Z7 _● STM8L、STM32 F0 和 STM32 L1 微控制器的电荷转移采集原理。 4 N# [* i5 i9 h4 u, H● STM8T14x 微控制器的表面式 ProxSenseTM 采集原理。5 ]. }! Y$ n3 L ● STM8TL5x 微控制器的投射式 ProxSenseTM 采集原理。3 K( h- `; e$ O8 A; D 注： ProxSense™ 为 Azoteq 的商标。% u5 T8 B; X: u5 s1 E 1.1 RC 采集原理 5 {$ y* ]& t# c/ D4 yRC 采集原理以测量电极电容通过电阻的充电 / 放电时间为基础。触摸电容时，充电 / 放电时间时间会延长，因此可利用这种变化来检测手指是否接近。AN2927 中详细介绍了 RC 采集原理。$ f7 F+ o& ~6 K4 W: b# G5 ` 6 u5 N* a7 ]4 e: o0 J7 l4 |3 Y 1.2 电荷转移采集原理 0 ^) ], m" s) {电荷转移采集原理利用了电容电荷 (Q) 的电气特性。在采样电容中反复对电极电容进行充放电，直到采样电容的电压达到给定阀值。达到阀值所需的转移次数表示电极电容的大小。/ ~- Z$ d/ {. j: S5 Y “触摸”电极时，电极中储存的电荷增加，因此采样电容充电所需的转移次数减少。 4 [( C+ u" y+ L& Z+ H% |7 ?! P! y2 {1 ~" L! o 1.3 表面式 ProxSenseTM 采集原理8 v3 l% ~; c" C6 k, n1 d9 P 表面式 ProxSenseTM 采集原理与电荷转移采集原理相似，只是其采集过程完全由性能更强的专用硬件 IP 管理。有关详细信息，请参见应用笔记 AN2970。8 E& d4 l9 s$ t5 N# |; ~ $ y: F; s& Y! R0 y' w! ~1.4 投射式 ProxSenseTM 采集原理2 |) k, M9 `' S2 \6 v& {1 H 投射式 ProxSenseTM 采集原理测量从一个驱动电极转移到另一电极的电荷量。与电荷转移原理一样，其中也使用采样电容储存来自构成耦合电容的电极中的电荷，电极电容小于采样电容。当手指靠近时，因（两个电极间的）电介质发生变化，因此电容减小。结果，采样电容所需的充电时间延长，利用这种差异便可检测是否存在手指。6 \+ g- m( N3 S! ~0 a2 C ' f! m4 T) F7 B 1.5 表面电容 # T- U2 j, ~" m) M; d( ?当手指靠近感应电极时，电容发生变化。0 Q+ X6 ~2 W. E6 X+ R% M 回路通过以下电容之一形成： : u7 S/ Z# l; |& T- a● 通过用户的脚接地的电容 ' {* o. g1 g& @: _1 \! D' |% T● 用户的手与设备间的电容' \0 J, n" z, h- w! N1 [ ● 用户的身体与应用板之间通过空气产生的电容（类似天线） ! E% w& [2 N* Q7 h7 [( z* N' {8 W2 { 8 y( n* s+ }# o2 E: _ + A) u) o* u( b8 d : \0 G! w2 _8 x6 PCX 是电极的寄生电容。, G+ v6 d# {& p; F7 Y- @' k CX 由两个电容组成：第一个电容是指大地，此电容不太重要并且可以忽略；第二个电容是指应用地，其取决于 PCB 或电路板布线。后一个寄生电容包括 GPIO 焊盘电容以及电极走线与应用地间的耦合电容。1 c+ S! g5 D6 y6 y" P 设计 PCB 和电路板布线时，必须尽可能减少寄生电容。1 ^: u1 N$ p3 h! P. t1 _ CF 是大地与应用间的反馈电容。它会对表面触摸感应应用产生重要影响，尤其是未与大地直接相连的应用。 * |" r8 s. o! t; s; c! s0 s* [CT 是手指触摸产生的电容，也是有用信号的来源。其参考点是大地而不是应用地。" k3 F* K8 w0 G; v8 d0 s 测得的总电容是 CX、CF 和 CT 的组合，其中只有 CT 对应用有意义。因此，我们测量 CX 与 CT 之和并与 CF 并联，结果由以下公式给出：CX + 1 / ((1 / CT) + (1 / CF))。) s/ Z% U7 T9 ~/ g* m * n7 B. ]% {! X- S1 L, W 1.6 投射式电容8 F- q- q1 p6 {2 n5 t# g5 F 当手指靠近感应电极时，电容发生变化。手指改变了介电性能。; F; U1 T& E% n5 C5 H 传感器由两个电极组成：3 f3 _# ~! ]3 M/ S# ], q7 c ● Tx，由输出模式下的端口驱动，0 h! R- b5 t( {* A5 ~% Q ● Rx，位于与读取模式下的专用端口相连的回路中。* O0 y. J5 n! m2 ? 4 B. x4 F+ \& C. c2 P 2 主要电容感应准则 $ r, }: P l3 H8 ^, D2.1 概述 ; ]9 a' f2 S, \4 e5 J0 L通常，表面式或投射式电容传感器由以下各层组成：$ \+ p- E) p4 j! P0 J ● PCB 基板 ; F& H% c x- ` t- c* u+ V● 一组铜箔制成的电极- E- e# E0 d- Y' l- b ● 由有机玻璃或任何不导电材料制成的面板, ^- w9 F3 d2 I2 L) T ● 丝印层 $ I7 T; L' E; G) L0 R% z 1 v/ Y' t4 y0 n& s. V/ s+ d8 q- j( }& m1 M" j4 K " f, O. ?' D. [9 `6 S5 }+ [' S/ b + k, R; ?8 ]' M& Z) E* H* I, Z$ K [% M$ e2 Q! v 2.2 结构 ( W0 P" a8 X! W9 ]1 ?, d2 l2.2.1 衬底 : q1 {+ P3 h2 h; l4 ^3 F7 T衬底是承载电极的基底材料。8 N. G& c: p" c; O# J# } 可以选择任一种不导电材料作为衬底，实际应用中，可以使用 PCB 材料（如 FR4、CEM-1）、聚酯等丙烯酸树脂 (PET) 或聚碳酸酯。玻璃也是一种非常适合用作衬底的材料。. G3 @1 z5 J+ e: }( H3 U0 P) B+ e5 F 注：对于上述投射材料（技术），建议不要使用 (εR) 过高的相对介电常数。 4 C5 E5 b* o* i) h( i很多情况下，电子应用中使用的衬底也适用于电容感应。特别注意需要注意的是，应避免使用能保存大气中水分的材料（例如，以纸为基本成分的吸湿材料）。因为这些材料会导致εR（相对介电常数）随环境条件的变化而变化。! S8 E" H2 i1 O# O _7 T3 n 建议用按压或粘合的方式将衬底紧密地粘合在前面板上。如果衬底和面板之间存在湿气或气泡，则会导致灵敏度发生变化。事实上，如果衬底与面板彼此紧密贴合，可有效避免发生程度不同且难以预测的灵敏度丢失（当气泡直径大于 2 mm 时）。因此，以机械方式或使用适当的粘结材料将二者牢固粘合。' d5 ?5 O6 F3 C: x$ D4 \4 x 此外，也可以制造不依靠衬底的传感器。本文档将在独立的章节（第 2.2.7 节、第 3.5.3 节和第 4.4.1 章）中介绍这类传感器。 # H* q, w& f0 E / k' ~8 Y7 p; O6 C5 C 1 r" d: `2 ]( r6 V' Y 7 a/ R+ z" }* y, z4 D) v * |9 n) o8 P. p5 ]" x% P 0 Z! L5 h+ U- p4 T + d$ ]( v/ v; @, F: h0 T越来越多的应用需要使用柔性 PCB 或 FFC/FPC(b) 进行电路互连；如果整个应用的机械性能稳定，则它非常适合。此外，FPC 走线也将成为触摸传感器的一部分。因此，只要柔性电路板稍有移动，即使是几微米，环境的电容也一定会发生变化，并且可能非常明显，从而导致虚假触摸检测或灵敏度下降。将柔性电路板置于金属底架或其它信号附近，或置于存在噪声的电路上方，都可能导致问题（灵敏度损失或虚假检测）。 # H9 Z# b9 I8 K( \ . a4 i! O( W j, M ! c. Q# X3 y6 U9 B, P / E" k. w$ h' [" B& E# W& w- l s }7 l: `5 f5 ^- s' o2 n* h* Z+ Y ! h4 @# q5 P w$ i/ i ) I+ l( r- h' T& p* ?& L. Z8 Z 5 b( b- X7 J" u( V9 Z) U 完整版请查看：附件 . T; O: [9 A: U% g- A" \2 R. s% ~ 7 d+ b+ b9 W2 e3 Z ; ^7 U; ^$ I% D* E

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STMCU小助手发布时间：2022-7-22 22:00

技术帖
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文章简介:	触摸感应应用的设计准则

前言
本应用笔记介绍了适用于触摸感应应用的布线和结构设计准则。
与机械用户界面相比，电容感应界面的优势相当多。它们：
● 具有时尚的外观和风格
● 易于清洁
● 防水
● 耐用
使用电容感应界面的应用越来越多。
设计这类界面主要难点在于确保各项目之间不会相互干扰。
本文档提供的简单准则主要涵盖以下三个方面：
1. 印刷电路板 (PCB)
2. 涂层和面板材料
3. 电容感应环境中其它所有项目
根据正在设计的应用，用户可能不必阅读本文档中的全部内容。阅读完包含主要电容感应准则的通用部分后，用户便可转到相应章节。例如，如果开发只使用投射式电极的应用，应首先阅读主要电容感应准则，然后直接转到介绍适合投射式电极设计的具体建议的章节。
表 1 列出了本应用笔记所涉及的微控制器。

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1 ST 的电容感应技术
意法半导体的 STM8 和 STM32 系列产品采用不同的电容感应技术。这些技术基于：
● STM8A、STM8S 和 STM8L 微控制器的 RC 采集原理。
● STM8L、STM32 F0 和 STM32 L1 微控制器的电荷转移采集原理。
● STM8T14x 微控制器的表面式 ProxSenseTM 采集原理。
● STM8TL5x 微控制器的投射式 ProxSenseTM 采集原理。
注： ProxSense™ 为 Azoteq 的商标。
1.1 RC 采集原理
RC 采集原理以测量电极电容通过电阻的充电 / 放电时间为基础。触摸电容时，充电 / 放电时间时间会延长，因此可利用这种变化来检测手指是否接近。AN2927 中详细介绍了 RC 采集原理。

1.2 电荷转移采集原理
电荷转移采集原理利用了电容电荷 (Q) 的电气特性。在采样电容中反复对电极电容进行充放电，直到采样电容的电压达到给定阀值。达到阀值所需的转移次数表示电极电容的大小。
“触摸”电极时，电极中储存的电荷增加，因此采样电容充电所需的转移次数减少。

1.3 表面式 ProxSenseTM 采集原理
表面式 ProxSenseTM 采集原理与电荷转移采集原理相似，只是其采集过程完全由性能更强的专用硬件 IP 管理。有关详细信息，请参见应用笔记 AN2970。

1.4 投射式 ProxSenseTM 采集原理
投射式 ProxSenseTM 采集原理测量从一个驱动电极转移到另一电极的电荷量。与电荷转移原理一样，其中也使用采样电容储存来自构成耦合电容的电极中的电荷，电极电容小于采样电容。当手指靠近时，因（两个电极间的）电介质发生变化，因此电容减小。结果，采样电容所需的充电时间延长，利用这种差异便可检测是否存在手指。

1.5 表面电容
当手指靠近感应电极时，电容发生变化。
回路通过以下电容之一形成：
● 通过用户的脚接地的电容
● 用户的手与设备间的电容
● 用户的身体与应用板之间通过空气产生的电容（类似天线）

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CX 是电极的寄生电容。
CX 由两个电容组成：第一个电容是指大地，此电容不太重要并且可以忽略；第二个电容是指应用地，其取决于 PCB 或电路板布线。后一个寄生电容包括 GPIO 焊盘电容以及电极走线与应用地间的耦合电容。
设计 PCB 和电路板布线时，必须尽可能减少寄生电容。
CF 是大地与应用间的反馈电容。它会对表面触摸感应应用产生重要影响，尤其是未与大地直接相连的应用。
CT 是手指触摸产生的电容，也是有用信号的来源。其参考点是大地而不是应用地。
测得的总电容是 CX、CF 和 CT 的组合，其中只有 CT 对应用有意义。因此，我们测量 CX 与 CT 之和并与 CF 并联，结果由以下公式给出：CX + 1 / ((1 / CT) + (1 / CF))。

1.6 投射式电容
当手指靠近感应电极时，电容发生变化。手指改变了介电性能。
传感器由两个电极组成：
● Tx，由输出模式下的端口驱动，
● Rx，位于与读取模式下的专用端口相连的回路中。

2 主要电容感应准则
2.1 概述
通常，表面式或投射式电容传感器由以下各层组成：
● PCB 基板
● 一组铜箔制成的电极
● 由有机玻璃或任何不导电材料制成的面板
● 丝印层

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2.2 结构
2.2.1 衬底
衬底是承载电极的基底材料。
可以选择任一种不导电材料作为衬底，实际应用中，可以使用 PCB 材料（如 FR4、CEM-1）、聚酯等丙烯酸树脂 (PET) 或聚碳酸酯。玻璃也是一种非常适合用作衬底的材料。
注：对于上述投射材料（技术），建议不要使用 (εR) 过高的相对介电常数。
很多情况下，电子应用中使用的衬底也适用于电容感应。特别注意需要注意的是，应避免使用能保存大气中水分的材料（例如，以纸为基本成分的吸湿材料）。因为这些材料会导致εR（相对介电常数）随环境条件的变化而变化。
建议用按压或粘合的方式将衬底紧密地粘合在前面板上。如果衬底和面板之间存在湿气或气泡，则会导致灵敏度发生变化。事实上，如果衬底与面板彼此紧密贴合，可有效避免发生程度不同且难以预测的灵敏度丢失（当气泡直径大于 2 mm 时）。因此，以机械方式或使用适当的粘结材料将二者牢固粘合。
此外，也可以制造不依靠衬底的传感器。本文档将在独立的章节（第 2.2.7 节、第 3.5.3 节和第 4.4.1 章）中介绍这类传感器。

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越来越多的应用需要使用柔性 PCB 或 FFC/FPC(b) 进行电路互连；如果整个应用的机械性能稳定，则它非常适合。此外，FPC 走线也将成为触摸传感器的一部分。因此，只要柔性电路板稍有移动，即使是几微米，环境的电容也一定会发生变化，并且可能非常明显，从而导致虚假触摸检测或灵敏度下降。将柔性电路板置于金属底架或其它信号附近，或置于存在噪声的电路上方，都可能导致问题（灵敏度损失或虚假检测）。

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