电容触摸入门：知识与原理全掌握

触摸按键如今在各类电子设备中的应用已极为广泛，无论是消费电子产品、工业控制设备，还是汽车电子等领域，都能看到它的身影。今天，我们就来深入探讨一下电容触摸的入门知识。

概述

电容式触摸感应，是一种基于电容变化来检测手指接近或触及触摸表面的先进技术。在传统的机械开关和旋钮应用中，往往会面临一些问题，而电容触摸技术的出现则很好地解决了这些难题。

传统机械开关和旋钮在长时间使用后，会出现磨损现象，导致可靠性降低。而且，前面板与按键之间存在缝隙，水分容易渗透进去，从而引发各种不良状况。此外，机械按键需施加一定力度才能触发，前面板开孔也会在一定程度上增加成本，并且按键形状较为固定。

电容触摸技术支持按键、接近感应、滚轮、滑条、触摸面板 5 种传感器类型，还能适配多种覆盖材料。它具有功耗低、感应技术强大稳定、抗噪能力强以及支持防水功能等显著特点。这使得它在电子设备设计中越来越受欢迎，能够为用户带来更加便捷、舒适的使用体验。

基本原理

常见的电容触摸传感器一般以 PCB 上的覆铜作为电极。在结构上，顶层会覆盖非导电性的防护层，如玻璃或塑料，通过胶水与 PCB 粘连在一起。同时，传感器周围会覆有网格地，以起到屏蔽和稳定信号的作用。

图 1：电容触摸结构示意图

基于所检测电容的类型，电容触摸可分为自感型电容检测（检测单电极和地之间的电容值）和互感型电容检测（检测双电极之间的电容值）。

1.自感型电容检测

图 2：自感型电容的检测示意图

以最简单的单按键为例，自感型电容的检测示意图如图 2 所示，检测模型如图 3 所示。自感型电容利用覆铜形成的单电极（接收电极Rx），来检测电极对地的电容变化。按键对地的初始电容为Cp，当人手触摸时，会给整个环路引入 Ct，Ch 与 Cg，从而使按键的对地电容增大。

图 3：自感型电容检测模型

说明：实线表示实际走线，虚线表示非实际走线。灰色元器件表示等效电容或电阻。

Rh: 人体电阻。

Rs: 串联电阻，推荐值为 470Ω。

Cp: 按键与所连导线的对电源地寄生电容。

Cg: 电源地与大地之间的电容。对于电池应用，大约为 1pF。对于接地应用为短路。

Ch: 人体与大地之间的串联电容。

Ct: 电级与人指尖形成的电容，类似于平板电容器结构。

Cd: 人手与电源地形成的电容。

为便于分析，忽略 Rh，Rs 的影响。按键对地的等效电容如公式 1-1 所示。灵敏度可以表征为触摸产生的电容变化与基础电容之间的比，如公式 1-1 所示。其中由于 Ch 较于 Cg 和 Ct 较大，因此可忽略。在地平面较稀时，??较小，因此?? + ??可约等于??。

A: 手指与传感器垫片覆盖层的接触面积。

d: 覆盖层的厚度。

ε0: 空气介电常数。

εr: 覆盖层的介电常数。

由公式 1-2 和 1-3 可知，提高灵敏度的方法有：

1）减小盖板的厚度，提高盖板的??，从而提高??；

2）减小网格地的密度，或增加 PCB 的厚度，从而降低??；

3）由于??与??数量级相同，合理的将电源地与大地相连从而增加??；

4）合理的增大电极的面积，通过提高手指与传感器垫片覆盖层的接触面积 A 来提高 Ct。

要注意，无法通过无限增大电极的方式来增加灵敏度。主要因为平行板电容 Ct 的最大有效面积与手指触摸面积相同，另外过大的电极面积无法增加触摸信号强度，反而会增加??，导致灵敏度降低。

2.互感型电容检测

图 4：互感型电容检测示意图

如图 4 所示，互感型电容利用覆铜形成的双电极（接收电极 Rx，发送电极 Tx）来检测两电极之间电容的变化。互感型电容检测的最大特点是可以忽略按键对电源地的寄生电容 Cp 的影响。以最简单的单按键为例，互感型电容的检测模型如图 5 所示。当人手触摸时，CRT 变成两个 2CRT，同时引入 CRTt，Ct，Ch 与 Cg。最终使双电极间的电容减小。

图 5：互感型电容的检测模型

说明：实线表示实际走线，虚线表示非实际走线。灰色元器件表示等效电容或电阻。

CRTt: 手指触摸引入的Rx和Tx电极之间的并联电容。

CRT: Rx和Tx电极之间的电容，当人手触摸时，等效分为两个容值2CRT的电容。

Tx 与 Rx 之间的等效电容如公式1-4所示。灵敏度可以表征为触摸产生的电容变化与基础电容之间的比，如公式 1-5 所示。

对于互感触摸，提高灵敏度的主要方式为：

1）降低覆层的厚度；

2）增大 Tx 和 Rx 之间的间距。要注意虽然增大 Tx 和 Rx 之间的间距能够减小???，提高检测距离，变相地提高灵敏度，但如果手指无法同时覆盖 Tx与 Rx，灵敏度反而会减小。

一般来说，对于自感与互感型电容检测，手指触摸产生的电容变化均在 1pF 左右。但自感的 base 电容（触摸前的电容值）一般会高于互感的 base 电容。因此相对来说互感的灵敏度更高，但也更易受噪声的影响。

从应用的角度来看，自感型方案由于结构简单使用的更广，而互感型方案更多的用于矩阵按键，以使支持的按键数远超过电容触摸的 IO 口数（自感型按键数）。两种方案之间的比较如表 1-1 所示。