威藝彈簧：根據(jù)電容式觸摸按鍵設計分析觸摸彈簧設計應注意什么

電容式觸摸按鍵已經廣泛應用在家用電器、消費電子市場，其主要優(yōu)勢有：

• 無機械裝置，使用壽命長

• 非接觸式感應，面板不需要開孔

• 產品更加美觀簡潔

• 防水可以做到很好

本篇文章就簡單介紹下電容式按鍵得原理以及PCB設計注意事項。

原理

電容式觸摸感應是通過測量面板和環(huán)境電容變化來檢測是否有觸摸時間發(fā)生。人體手指觸摸時，會存在一定電容，構成了電容板的一極，電容的另一極是PCB板銅皮，兩級之間添加介質使得變成一個電容器，如下圖所示：

觸摸傳感器電路可以測量觸摸引腳上路徑的總電容，當路徑上總電容變化量超過閾值，會判定為“手指觸摸”。下圖是電路板路徑上電容分布：

觸摸傳感器的讀取數(shù)值是上表所有電容共同作用的結果，其中$C_{componet}$、$C_{trace}$、$C_{electrode}$通常被稱為寄生電容$C_p$(即未發(fā)生觸摸動作時的電容)。$C_{touch}$是發(fā)生觸摸動作時的電容。當寄生電容$C_p$越小，$C_{touch}$越大時，觸摸動作越容易被系統(tǒng)檢測到，即靈敏度就越高。

結論：做電容式觸摸按鍵時，最重要的設計就是降低寄生電容$C_p$，同時提高觸摸電容$C_{touch}$。

減少寄生電容$C_p$的方法：

1. 減少走線長度

2. 優(yōu)化PCB布局

增大觸摸電容$C_{touch}$的方法：

1. 減少電路板與面板即覆蓋層的厚度

2. 覆蓋層與電容緊密貼合，選擇介電常數(shù)大的覆蓋層

3. 增大觸摸電極面積

覆蓋層的選擇

電容板容性計算公式為：

C t o u c h = ε ? S 4 ? π ? k ? d C_{touch}=\frac{ε*S}{4*π*k*d}Ctouch=
4?π?k?dε?S

ε：覆蓋層的介電常數(shù)
S：為手指接觸覆蓋層與觸摸電極的映射面積
k:靜電力常量
d:覆蓋層厚度

不同材料的介電常數(shù)：

空氣的介電常數(shù)是最低的，需要使用介電系數(shù)高一點的材料保證高靈敏度。

覆蓋層安裝時需要注意：當緊貼覆蓋層安裝時，可以使用絕緣的粘合劑進行粘接，去除間隙，保證穩(wěn)定。當有距離時，可以使用金屬彈簧連接，彈簧應保持形變。

PCB設計要求

寄生電容的影響因素：走線長度>觸摸電極周圍鋪地>走線離地間隔>過孔數(shù)>走線寬度

電路板厚度建議是0.5mm-1.6mm，如果板厚小于1mm，應減少反面鋪地。

走線要求：

• 走線長度不應超過300mm

• 走線寬度（W）不應大于0.18mm（7mil）

• 走線夾角（R）不應小于90°

• 走線離地間隙（S）應在0.5mm-1mm

• 觸摸電極離地間隙應在1mm-2mm

• 觸摸電極直徑（D）應在8mm-15mm

• 走線不應與高頻有干擾線并列使用

• 觸摸電極和走線應被柵格地圍繞

鋪地處理

• 使用柵格地是增強抗干擾能力并保證高靈敏度的折中選擇

• 觸摸電極周圍使用柵格地，背面無干擾不應鋪地

• 鋪地應距離電極1mm

• 柵格地通面積不超過總面積的40%，可以設置5mil線寬，50mil間距

• 觸摸電極與走線周圍10mm范圍內不應有實心地

按鍵焊盤形狀

• 最佳形狀是圓形，也可以是圓角的矩形焊盤。因為尖點會集中電磁場，應該避免。

• 按鍵直徑在8mm-15mm之間，典型值為12mm.如果覆蓋層較厚，可以選用直徑較大的電極

• 兩個按鍵相鄰間距應保證5mm以上，避免互相影響

滑條/滾輪時設計

將多個觸摸按鍵組合在一起即形成了滑條，配合軟件可以檢測手持滑動方向和位置，滑條可以是直線排列也可以是圓形排列。

人的手指直徑大約9mm，建議滑條寬度（W）為8mm，滑條間距0.5mm。手指在滑條劃動時，相鄰兩個電極的變化相反，信號變強的電極是手指即將到達的位置，信號減弱的電極是手指即將離開的電極位置。所以相鄰兩個觸摸電極距離不應過大，否則無法計算手指準確到達位置。

觸摸彈簧設計

許多使用彈簧連接電極與覆蓋層，選擇彈簧時應注意：

• 彈簧安裝高度應大于5mm

• 彈簧直徑不應小于10mm

• 彈簧靈敏度性能帶金屬片形>喇叭形>直筒形

• 相鄰彈簧按鍵距離不應小于10mm