电容式触摸传感器基本原理和应用

电容检测和测量的基本原理

电容是指电容器在电场中存储能量的能力。在其标称形态中—平行板电容器—电容C衡量在给定电压V下电容器中存储的电荷Q，计算公式为C=Q/V 对于平行板电容器，电容检测和测量技术的本质如下图所示。

平行板电容器由两个导体(金属板)构成，其特性为• 导体面积，a × b• 两个导体极板之间的距离d• 两个导体之间的电介质，用介电常数εr表示根据这种几何结构，电容计算公式如下

其中，ε0为自由空间的介电常数。

由于传感器电容由a、b、d和εr决定，因此，通过改变这些参数的值，或者观察其值的变化，即可用技术手段直接测量电容值以及多种其他应用之中，具体视传感器类型而定。

应用案例：

1、电容式触摸用户输入

电容式触摸传感器以类下图所示的按钮、滑动条、滚轮或其他方式提供一种用户界面。

各个蓝色几何区域表示印刷电路板(PCB)上的一个传感器电极，构成虚拟电容器的一个极板。另一极板则由用户的手指构成。器件首先输出一个激励信号，使电容器极板充电。当一个物体(如用户手指)靠近传感器时，用户充当电容器的令一个极板，将形成虚拟电容器(如下图)。利用电容数字转换器(CDC)可以测量该电容。

传感器能够感知外部传感器的电容变化，并借助此信息来记录传感器激活事件。这些特性使其成为高分辨率触摸传感器功能的理想选择，比如滑动条或滚轮，而且其对软件的要求很低。另外，甚至 无需使用任何软件，即可用传感器片内数字逻辑完整实现按钮传感器应用。

二、液位监控

在输液等众多应用中，必须测量所用液体量，或者在输液瓶变空之前必须停止输液。为了节省医护人员的时间，可利用自动液位检测技术来消除人工检查的必要。液位检测的基本原理如下图所示。构建一个平行板电容器，使其极板紧紧地附着在输液瓶的外壁上，并延伸到输液瓶底部附近。随着输液液位的变化，极板之间的电介质数量发生变化，从而导致电容发生变化。为了能够使用介电常数不同的各种输液物质，需在输液瓶底部附近再放一个电容式传感器，充当一个基准通道，以形成比率式测量。

三、电极和人体之间的连接检测

对于在人体皮肤附近使用的设备，在激活设备或进行测量之前，首先了解设备表面与病人皮肤之间接触的质量通常是有好处的。最终使用的范围可能包括需要接触皮肤的医疗探头、生物电位电极传感器或把导管固定到适当位置的壳体。为了获得这种额外的信息，在生产过程中的注塑阶段可能会将多个电容式传感器电极(以蓝色显示)直接嵌入到设备的塑料壳体中。有了电极信息后，主机控制器上运行的简单算法就可以确定所有传感器电极是否与皮肤进行良好的接触。

四、汗液检测

在某些医疗和保健测试设备中，需要测量人体排出的汗液。这一般是通过测量皮肤的导电性来实现的。然而，如果需要在不进行电接触的情况下进行测量，则可通过用电容传感器检测人体附近的湿度来实现这种功能。出汗时，人体皮肤附近的湿度(介电常数)会增加；可在出汗处皮肤附近用一个非接触式电极来测量出汗导致的电容变化。可以再增加一个电容传感器，以测量环境湿度，并用其实现共模补偿。

五、 呼吸速率测量

呼吸速率测量是病人监护系统中的一个重要模块。在其中一种实现方式中(如图7所示)，将一块激励极板放在病人背部，同时，将传感器电极带固定到病人胸部右侧。肺部呼吸导致的胸部运动会改变两块极板之间的距离。介电常数也会因呼吸过程中复杂的生理活动而改变。

六、血压测量

在使用充气臂带的血压测量应用中，一项重要的任务是测量气阀处的压力。在这类压力检测应用中，电容式传感器使用起来非常简单。如下图所示，压力传感器的薄膜基本是由两个电容极板构成。向传感器施加压力时，电容极板之间的距离缩短。极板间的距离缩短会导致电容升高。可使用一个温度传感器来检测传感器的温度变化，以补偿温度变化导致的特性变化。

苹果公司申请电容触摸传感器专利，减小热漂移并最小化检测到错误触摸

金融界2024年1月9日消息，据国家知识产权局公告，苹果公司申请一项名为“在电容触摸传感器中使用负温度系数介电层减轻错误手势的系统和方法“，公开号CN117369660A，申请日期为2023年6月。

专利摘要显示，本公开涉及在电容触摸传感器中使用负温度系数介电层减轻错误手势的系统和方法。触摸传感器面板/屏可包括层叠结构中的负温度系数材料和具有扩展面积的布线迹线，以减小热漂移并最小化检测到错误触摸。在一些示例中，这些触摸传感器面板/屏可包括位于第一层中的多个触摸电极。在一些示例中，这些传感器面板/屏可包括位于第二层中的一种或多种介电材料，该一种或多种介电材料包括负温度系数材料。在一些示例中，这些触摸传感器面板/屏可包括位于第三层中的多条布线迹线，该多条布线迹线将该多个触摸电极布线到触摸控制器芯片。

本文源自金融界

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