季盛浩

摘  要：影响触摸按键的灵般度的因素很多，文章详细分析了影响触摸按键灵敏度的因素，并提出了一些技术设计规范，对提高设计人员及生产制造管理人员有着积极的指导意义。

关键词：触摸按键;灵敏度;设计规范

中图分类号：TP212        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）27-0088-03

Abstract： There are many factors that affect the dexterity of touch buttons. This paper analyzes in detail the factors that affect the sensitivity of touch buttons， and puts forward some technical design specifications， which has a positive guiding significance for improving designers and manufacturing managers.

Keywords： touch button; sensitivity; design specification

引言

电容式传感器基本上可以分成几类：电场传感器、基于张弛振荡器的传感器、电荷转移（QT）器件等。大部分电容式传感器都是基于RC充放电的原理，不同的只是检测的信号及其有效的算法。有的判断充电电压阈值的变化，有的判断充电到一定电压阈值的时间变化，有的则判断一段时间内充电到阈值电压的次数变化（即频率变化）。但是这些在总体上都有一些缺陷，在医疗电子消费类领域还没有得到广泛应用，还存在缺乏设计的灵活性和设计的精确度不好把握等问题。尤其在触摸按键的设计过程中，对触模按键形状的设计，往往只能借鉴前人的设计值以及经验。本文将对于触摸按键的理论设计以及对触摸按键灵敏度影响最大的因素做详细的讨论。

1 影响触摸按键灵敏度的因素

从以上公式可以看出，凡是影响到K和Ct的参数均会影响到灵敏度，主要包括：供电电压的偏差（VCC）面板层厚度误差（D）、手指接触面积（A）和面板层介质变化（εr）。

1.1 触摸按键电阻率r的影响

在公式 9所引入的振荡电阻R不仅包含MCU中可设置的电阻系数，还应包括触摸按键电极材料的电阻率，相当于串联关系。从公式中可看出，设按键电极电阻率为r，其变化量为△r，对灵敏度的影响为：

MCU内部可设的电阻系数范围为1～100k？赘，当使用ITO、斑马纸等高电阻率的物质做触摸按键电极及其连接时，需充分评估其电阻变化对灵敏度的影响，并预留阈值。

1.2 面板层厚度的影响

面板层厚度的偏差主要来源于加工误差，而面板层的相对介电常数不变。根据公式9有：

假设面板厚度产生△d的变化量，造成灵敏度△Sensitivity的变化，则有：

可见Sensitivity变化与面板层厚度变化成反比，且变化的百分比量基本相同。

面板层厚度变大，Sensitivity变小。因此需要在设计时在Finger Threshold中预留这部分变化量。

1.3 手指接触面积的影响

假设手指接触面积变化△A，则根据公式10有：

接触面积增大，Sensitivity变大，且呈线性。

1.4 面板层介质的影响

假设原面板层厚度为D，介电常数为εr1。在原面板层上叠加一厚度为d，介电常数为εr2的另一层面板，从而形成另一电容。这两个电容形成近似的串联关系，则根据公式 2和电容串联公式有：

根据公式 11可推导出由于面板层增加d厚度介质而造成灵敏度△Sensitivity的变化为：

当增加的面板层是空气时，有εr2=1，则公式12变化为：

假设原面板介电常数为4（一般类PMMA、ABS或FR4），厚度为2mm，引入的空气层厚度0.1mm，则灵敏度下降17%。可见，微小的空气层可以引起灵敏度的大量下降，且原面板介电常数越大、厚度越小，影响越巨大。因此在产品设计中尽量避免空气层的出现;当不可被避免时，应增加使用小介电常数的面板材料并增加其厚度，在测试后设置FT值时要给予充分的评估。

2 设计规范

为规范PCB触摸按键设计的流程和设计原则，为PCB触摸按键设计者提供必须遵循的规则和约定。提高PCB触摸按键设计质量和设计效率及可生产性、可测试、可维护性。制定一些技术规范，对于触摸按键设计及制造具有很好的参考意义。

2.1 PCB设计

（1）如果按键面板与PCB板之间直接用双面胶紧密粘合，PCB可做成双面板或者单面板，可直接在PCB板上放置铜箔焊盘作为触摸按键。

（2）触摸按键与MCU不在同一块PCB板上时，尽量不要将触摸按键电极信号线作为连接线。

（3）触摸按键的表面与触摸面板接触部分应平整，以

保證触摸按键与触摸面板的完全接触，不留空隙。

（4）触摸按键芯片的供电要稳定纹波要小，建议使用单独的电源供电。

（5）触摸按键电极片的大小应不小于人手与触摸按键的最大接触面积，触摸按键的形状可根据实际需要进行设计，可设计成圆形、方形或长方形，尽量不设计狭长形状。

（6）触摸按键与IC管脚之间的走线尽量要短、要细，长度不要超过30cm，线宽不要超过0.3mm，通常线宽选择0.2mm。尽量使线外形上保持直线，因为信号线弯曲会影响人手触摸带来的电容量变化。

（7）因为电容式触摸按键属于高阻抗特性，特别容易受到高频信号的干扰，因而尽量避免高频信号接近信号线。

（8）感应电极信号线之间尽量不要平行，如需平行的話尽量要远，建议在1mm以上。

（9）如果触摸按键信号线必须和不同板层的信号线交叉，则交叉方式应为垂直交叉。

2.2 触摸按键的设计

设计电容式触控按键，sensor pad的形状和大小是影响系统灵敏度的一个因素，一个面积大的sensor pad将更容易被系统识别到，并且信噪比也会更高些;sensor pad的面积大小约等于人手按下后的接触面积即可;而sensor pad的形状则建议为圆形或者方形，为了防止在触摸一个sensor pad时，其他pad也会被感应到，建议PCB Layout时2个sensor pad之间的距离不小于5mm。

2.3 面板层的设计

触摸面板要选择不导电的绝缘材料，有两个参数需要考虑，一是绝缘板材质，二是绝缘板厚度。更高的介电常数能产生更好的电容耦合度，即人手触摸按键时，信噪比及灵敏度会更高。绝缘板材质的厚度既会影响触摸按键的灵敏度，也关系到系统抗ESD的能力，绝缘板太厚，按键灵敏度太低，甚至无法检测到按键，且容易造成按键系统不稳定;绝缘板太薄，系统ESD能力又太弱，表1给出不同材质的绝缘板在过12kV ESD测试下的最小厚度。

3 结束语

触摸按键的应用越来越广泛，它具有很好的稳定性、防水性、易操作性。基于触摸按键的广泛应用以及制作工艺过程的许多讲究和需要注意事项，文中专门对触摸按键的原理和对触摸灵敏度的影响进行了详细介绍，并提供一些技术设计规范，对于触摸按键设计及制造具有很好的参考意义。

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