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英飞凌 | 用电容式触摸感应技术实现HMI差异化解决方案

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电容感应技术在消费电子、工业和汽车前面板应用中,是一种常见的界面技术选择,取代了开关和旋钮。。。

电容感应技术在消费电子、工业和汽车前面板应用中,是一种常见的界面技术选择,取代了开关和旋钮。物联网设备涵盖消费应用、工业应用和商业应用,它们都可以从时尚的用户界面中受益,实现产品差异化,例如:触摸显示屏、按键/滚动条、接近感应和智能家居中的智能触摸开关等。为了提供最佳用户体验,触摸显示屏可能还需要支持手势识别、防水、手腕检测和戴手套触摸等功能。这些功能都可以通过电容感应技术实现,以直观的方式让用户与产品进行交互。

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图 1 触摸式家用电器(示例)


1. CAPSENSE™基础知识

CAPSENSE™是英飞凌的电容式触摸感应技术,其工作原理是:通过测量传感器板与周围环境之间的电容变化,来检测触摸表面上或附近是否存在手指。典型的电容式传感器由印刷电路板表面上尺寸合适的铜垫组成,铜垫上的非导电覆层可作为按钮的触摸表面。在电容式触摸感应应用中,通常有以下两种感应方法。


2. 自电容感应(CSD)

CSD(CAPSENSE™ Sigma-Delta)是英飞凌的专有自电容感应方法。该传感器实际上就是一个连接到PSoC™ MCU引脚的导电体。传感器可以使用PCB上的铜垫、印刷在触摸屏玻璃上的ITO或氧化银等透明材料构造,甚至可以是印刷在非导电材料上的导电涂料,或者只是一根简单的电线。高性能触摸感应引擎可以测量电极与地之间的电容。触摸固件库中的算法可以识别触摸模式和用户交互。自电容感应通常用于支持单指操作的界面,例如:按键、滚动条、接近传感器和单指操作触摸屏。

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图 2 自电容感应(CSD)方法


3. 互电容感应(CSX)

CSX是英飞凌的专有互电容感应方法。顾名思义,互电容感应的工作原理是,测量两个电极,即发射(Tx)和接收(Rx) 电极之间的电容变化。将手指放在Tx和Rx电极之间时,CM减小,随着CM减小,Rx电极接收到的电荷也会减少。电容感应系统会通过测量Rx电极接收到的电荷量,来检测有无触摸。互电容感应的应用示例包括,可以同时检测多指触摸的触摸屏。

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图 3 互电容感应(CSD)方法


4. 设计坚固耐用的触摸 HMI 解决方案的 4 大挑战

打造可靠耐用的电容感应系统,对嵌入式设计人员而言颇具挑战性。在触摸面板检测手指触摸,需要测量飞法(fF)级别的电容。很多噪声源都可能影响测量、干扰操作,并导致触摸误测。这些噪声源包括但不限于:环境因素、液体、金属物体、灰尘、水分、潮湿、极端温度或电噪声,例如:其他设备的传导噪声和辐射噪声。触摸界面必须在所有这些条件下可靠工作,并满足EMC & EMI和行业规范要求。


设计优异可靠的触摸HMI,应考虑鲁棒性、响应速度、低功耗以及外观美学。


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