1.6 触摸传感器

在本教程中，我们将学习触摸传感器。如今，几乎所有的用户界面都基于触摸。其应用范围不胜枚举，其中一些重要的应用包括：移动电话、平板电脑、笔记本电脑、汽车、电梯、自动取款机（ATM）、相机等。触摸传感器是现代触摸屏应用中的重要组件。

引言

触觉是许多动物甚至一些植物的重要感觉通道。当我们用手触摸某物时，我们的感官会告知我们。然而，计算机输入设备对人类接触无动于衷，因为在进行、维持或中断物理接触（如触摸或释放）时，软件不会有任何反应。

因此，触摸感应输入设备为新颖的交互技术提供了众多可能性。触摸传感器技术正逐渐取代鼠标和键盘等机械装置。

触摸传感器可以在不依赖物理接触的情况下检测触摸或近距离接近。触摸传感器正逐渐应用于手机、遥控器、控制面板等领域。如今的触摸传感器可以取代机械按钮和开关。

带有简单旋转滑块、触摸板和旋转轮的触摸传感器为更直观的用户界面提供了显著优势。触摸传感器使用起来更方便、更可靠，且没有活动部件。触摸传感器的使用为系统设计者提供了极大的自由度，并有助于降低系统的整体成本。系统的整体外观可以更具吸引力和现代感。

工作原理

触摸传感器也被称为触觉传感器，对触摸、力或压力敏感。它们是最简单且最有用的传感器之一。触摸传感器的工作原理类似于简单的开关。

当与触摸传感器的表面接触时，传感器内部的电路闭合，电流开始流动。当接触释放时，电路断开，电流停止流动。

触摸传感器的工作原理如下图所示。

电容式触摸传感器

电容式触摸传感器被广泛应用于大多数便携设备，如手机和 MP3 播放器。电容式触摸传感器甚至在家电、汽车和工业应用中也能找到。这种发展的原因包括耐用性、坚固性、吸引人的产品设计和成本。

与机械装置不同，触摸传感器不包含活动部件。因此，它们比机械输入设备更耐用。由于没有开口供湿度和灰尘进入，触摸传感器更加坚固。

电容式触摸传感器的工作原理如下所述。

最简单的电容器可以通过两个由绝缘体隔开的导体来制作。金属板可以被视为导体。电容的公式如下所示。

$C = \varepsilon_0 \times \varepsilon_r \times \frac{A}{d}$

其中：

• $\varepsilon_0$ 是真空中的介电常数，
• $\varepsilon_r$ 是相对介电常数或介电常数，
• $A$ 是板的面积，$d$ 是它们之间的距离。

电容与面积成正比，与距离成反比。

在电容式触摸传感器中，电极代表电容器的一个极板。第二个极板由两个物体表示：一个是传感器电极的环境，形成寄生电容 $C_0$，另一个是导电物体（如人的手指），形成触摸电容 $C_T$。

传感器电极连接到测量电路，电容会定期测量。如果导电物体触摸或靠近传感器电极，输出电容将增加。测量电路将检测到电容的变化，并将其转换为触发信号。

电容式触摸传感器的工作原理如下图所示。

如果传感器电极的面积更大且覆盖材料的厚度更小，触摸电容 $C_T$ 也会更大。因此，触摸垫和未触摸传感器垫之间的电容差也会更大。这意味着传感器电极和覆盖材料的尺寸会影响传感器的灵敏度。

电容的测量在许多应用中都有使用，例如确定距离、压力、加速度等。电容式触摸传感器是另一个应用领域。测量电容的方法有很多种，其中一些包括：幅度调制、频率调制、时间延迟测量、占空比等。

在电容式触摸传感器的情况下，导电材料的存在足以触发负载，而不需要任何力。因此，电容式触摸传感器更容易出现误触发或意外触发的情况。在存在水分或水的情况下，这种问题更为严重，因为水是良好的导电体。

触摸传感器中电容的测量方法需要一个位于感应垫附近的参考平面。在电容式触摸传感器中，手指触摸会在感应电极和参考平面之间形成电容。人体皮肤上的油脂或汗水可能会导致误触发。

为了区分有意触摸和误触摸，需要使用额外的感应垫或软件算法。最好的解决方案是消除参考地电极。

电容式触摸传感器有两种类型：表面电容感应和投影电容感应。

在表面电容感应中，绝缘体的一侧表面涂有一层导电涂层。在这层导电涂层之上，再涂上一层薄薄的绝缘层。导电涂层的四个角都施加了电流。

当外部导体（如人的手指）与表面接触时，它们之间会形成电容，并从角部吸取更多电流。测量每个角部的电流，它们的比例将决定触摸在表面上的位置。

在投影电容感应中，整个表面并不带电，而是在两层绝缘材料之间放置了一个 X-Y 网格的导电材料。网格通常由铜或金制成，位于印刷电路板（PCB）上，或者由氧化铟锡制成，位于玻璃上。一个集成电路（IC）用于对网格进行充电和监控。

当外部导电物体（如手指）从网格上的某个区域吸取电荷时，集成电路会计算手指在触摸表面上的位置。采用投影电容技术制成的触摸传感器可以感知未接触其表面的手指。它们可以作为近距离传感器使用。

电阻式触摸传感器

电阻式触摸传感器的使用时间比电容式解决方案更长，因为它们是简单的控制电路。电阻式触摸传感器不依赖于电容的电学特性。因此，电阻式触摸传感器可以容纳非导电材料，如触控笔和戴手套的手指。

与测量电容的电容式触摸传感器不同，电阻式触摸传感器感知表面的压力。

电阻式触摸传感器由两层导电层组成，它们之间由小的间隔点隔开。底层由玻璃或薄膜制成，顶层由薄膜制成。导电材料通常涂有金属膜，一般是氧化铟锡，且具有透明性。在导体表面上施加了电压。

当使用手指、触控笔、笔等任何探针对传感器的顶层薄膜施加压力时，传感器被激活。当施加足够的压力时，顶层薄膜向内弯曲并与底层薄膜接触。这导致电压下降，接触点在 X-Y 方向上形成了一个电压分压网络。

控制器检测到这个电压及其变化，并根据触摸的 X-Y 坐标计算出施加压力的位置。

电阻式触摸传感器的工作原理可以通过下图进行解释。

在电阻式触摸传感器的工作中，触摸电极的物体的电阻会起作用。例如，当手指触摸表面时，手指的小电阻允许一些电流通过，从而完成电路。晶体管作为开关。电阻 $R_p$ 用于保护晶体管免受电极可能发生的短路的影响。电阻 $R_b$ 用于在电路断开时（即没有手指）将基极保持在地电位。

当两个电极都被触摸时，少量电流通过手指流动，晶体管被打开，负载被激活。

一个简单的电阻式触摸灵敏电路如下图所示。

它由两个电极、以达林顿配置连接的两个晶体管、一个电阻和一个 LED 组成。当手指放在电极上时，电路被接通，发生电流放大。电阻用于限制流向 LED 的电流。

电阻式触摸传感器有三种类型：4 线、5 线和 8 线。

4 线电阻式触摸传感器最具成本效益。5 线电阻式触摸传感器最耐用。它们与 4 线传感器类似，只是这种类型的传感器的所有电极都在底层。5 线传感器的顶层作为电压测量探头。由于这种结构，5 线电阻式触摸传感器允许更多的操作次数。

在 8 线电阻式触摸传感器中，传感器的每个边缘都提供了一条感应线。这些感应线作为触摸控制器的稳定电压梯度。这些感应线将触摸区域的实际基线电压水平报告给控制器。它们是最准确的电阻式触摸传感器类型。

手指、触控笔、笔、戴手套的手指等任何物体都可以用来对电阻式触摸传感器施加压力，它们大多用于恶劣环境。然而，电阻式触摸传感器的响应时间比电容式触摸传感器慢。因此，电容式触摸传感器正逐渐取代它们。