2 自感电容式触控的基本知识和原理

以简单的单按钮为例，图 2-1 显示了自感电容，图 2-2 显示了检测模型。自感电容采用通过镀铜形成的单电极（接收电极 Rx）来检测电极对电力线接地的电容变化。按钮到电力线接地的初始电容为 Cp。用手触摸它时，电路中会产生 Ct、Ch 和 Cg，从而增加按钮对接地的电容。

在图 2-2 中，实线表示 PCB 布线，虚线表示与触控相关的布线。灰色元件表示等效电容或电阻。

R_h = 人体电阻。

R_s = 串联电阻。建议值为 470Ω。

C_p = 按钮和连接线到电力线接地的寄生电容。

C_g = 电力线接地和大地之间的电容。对于电池应用，它约为 1pF。对于接地应用，它是一个短路。

C_h = 人体与大地之间的串联电容。

C_t = 电平与人指尖形成的电容，其结构类似于平行板电容。

为了便于分析，我们将 R_h 和 R_s 的影响忽略不计。Equation1 显示了按钮到电力线接地的等效电容。灵敏度可以表征为触摸引起的电容变化与基础电容的比值，如Equation2 所示。其中，C_h 大于 C_g 和 C_t，因此可以忽略不计。

平行板电容通过以下公式计算：

其中：

• A = 手指和传感器垫覆盖层之间的接触面积。
• d = 覆盖层的厚度。
• ε₀ = 空气介电常数。
• ε_r = 覆盖层的介电常数。

从Equation2 和Equation3 可以看出，改变灵敏度的方法有：

• 减小覆盖层的厚度以提高灵敏度。
• 减小电网接地的密度，或增加 PCB 厚度以降低灵敏度。
• 将电源接地连接到大地以提高灵敏度。
• 增大手指与传感器垫覆盖层的接触面积 A 以提高灵敏度。

电极尺寸不能无限增大。主要原因是，平行板电容 C_t 的最大有效面积与手指触摸面积相同。因此，C_t 也会增大，导致灵敏度降低。

TI 的 CapTIvate 电容式触控感应技术是基于电荷转移收集过程实现的。具体操作包括：1) 对传感器输入电容器 C_equal 充电；2) 将累积的电荷转移到内部采样电容器 C_sample。

重复该过程，直到 C_sample 两侧的电压达到内部比较器的触发电压 V_trip。达到阈值所需的电荷转移次数直接表征了 C_equal 的大小。如果用手触摸电容式传感器，C_equal 和电荷转移值就会发生变化。MCU 通过比较不同的电荷转移周期数来感知触摸事件的发生。MSP430 MCU 采用电流镜控制 C_sample 的输入电流与 C_equal 的放电电流之间的比例关系，以便对 C_sample 进行等效放大并得到一个更大的范围。对于自电容检测，C_equal 等于接地和 RX I/O 端口之间的电容。通过对接地的充电和放电，C_equal 中的电荷将转移至内部 C_sample。

上述内容是关于用手触摸按钮时，按钮电容值所发生的变化。同样，如果将按钮换成金属导体棒，将人体换成液态物质（如水），当水接触金属导体棒时，会让整个金属棒对接地的电容发生变化。金属棒对接地的电容值也会随着水位的变化而变化。通过电容值的变化，我们可以判断被检测物体中是否有水，以及水位的深度。图 2-3 显示了检测模型。