触摸按键设计参考与问题总结

Posted 2021-12-03 三明治开发社区

一、概述

     随着电容式触摸按键在外形美观和使用寿命等方面都优于传统的机械按键，电容式触摸按键的应用领域也日益广泛，包括家电、消费电子、工业控制和移动设备等。本文介绍一下电容式触摸按键的基本工作原理和材料选择。

二、工作原理

    任何两个导电的物体之间都存在着感应电容，一个按键即一个焊盘与大地也可构成一个感应电容，在周围环境不变的情况下，该感应电容值是固定不变的微小值。当有人体手指靠近触摸按键时，人体手指与大地构成的感应电容并联焊盘与大地构成的感应电容，会使总感应电容值增加。电容式触摸按键IC在检测到某个按键的感应电容值发生改变后，将输出某个按键被按下的确定信号。电容式触摸按键因为没有机械构造，所有的检测都是电量的微小变化，所以对各种干扰会更加敏感，因此触摸按键设计、触摸面板的设计以及触摸IC的选择都十分关键。

三、触摸PAD设计

1、触摸PAD材料

   触摸PAD可以用PCB铜箔、金属片、平顶圆柱弹簧、导电棉、导电油墨、导电橡胶、导电玻璃的ITO层等。不管使用什么材料，按键感应盘必须紧密贴在面板上，中间不能有空气间隙。当用平顶圆柱弹簧时，触摸线和弹簧连接处的PCB，镂空铺地的直径应该稍大于弹簧的直径，保证弹簧即使被压缩到PCB板上，也不会接触到铺地。

2、触摸PAD形状

   原则上可以做成任意形状，中间可留孔或镂空。推荐做成边缘圆滑的形状，可以避免尖端放电效应。一般应用圆形和正方形较常见。

3、触摸PAD面积大小

   按键感应盘面积大小：最小4mm×4mm，最大30mm×30mm。实际面积大小根据灵敏度的需求而定，面积大小和灵敏度成正比。一般来说，按键感应盘的直径要大于面板厚度的4倍，并且增大电极的尺寸，可以提高信噪比。各个感应盘的形状和面积应该相同，以保证灵敏度一致。通常在绝大多数应用里，12mm×12mm是个典型值，最好不低于10mm×10mm。

4、触摸PAD之间距离

   各个触摸PAD间的距离要尽可能的大一些（大于5mm），这样可以减少它们形成的电场之间的相互干扰。当用PCB铜箔做触摸PAD时，若触摸PAD间距离较近（5mm～10mm），触摸PAD必须用铺地隔离。如果各个触摸PAD距离较远，也应该尽可能的铺地隔离。适当拉大各触摸PAD间的距离，对提高触摸灵敏度有一定帮助。

5、触摸PAD走线

  走线在工艺允许情况下，尽可能细和短，和LED等驱动线若出现交叉，尽可能90度交叉，避免近距离平行。尽可能避免过孔。高速信号线同样尽量远离触摸传感器走线，若出现交叉尽量垂直交叉，使用地线与高速信号线进行耦合，避免高速信号线与触摸传感器走线产生耦合。

四、触摸面板选择

1、触摸面板材料

   面板必须选用绝缘材料，可以是玻璃、聚苯乙烯、聚乙烯（pvc）、尼龙、树脂玻璃等，按键正上方1mm以内不能有金属，触摸按键50mm以内的金属必须接地，否则金属会影响按键的灵敏度。在生产过程中，要保持面板的材质和厚度不变，面板的表面喷涂必须使用绝缘的涂料。覆盖层的厚薄是影响触摸按键效果的重要因素，过厚的覆盖层会影响电容变化率，建议在条件允许的情况尽可能的薄，建议不应超过 3mm，在覆盖层比较厚的情况，可以在触摸按键上方开槽填充导电泡沫和垫片等材料。高介电常数的覆盖材料比低介电常数灵敏度更高，但是高介电常数的覆盖层更容易带来串扰，特别是触摸传感器距离较近的情况下。覆盖层和触摸按键之间尽可能避免存在空气，否则会导致介电常数大幅减小，1mm 的气隙会导致灵敏度下降 1/4～1/2，有可能的情况，尽可能使用粘合剂把覆盖层和PCB 粘合好。如果触摸按键之间距离过近，为避免串扰，可以考虑在相邻触摸按键的中部开气隙槽。一般情况下，不建议使用导电覆盖层。

2、触摸面板厚度

  通常面板厚度设置在0～10mm之间。不同的材料对应着不同的典型厚度，例如亚克力材料一般设置在2mm～4mm之间，普通玻璃材料一般设置在3mm～6mm之间。

3、双面胶

   触摸按键PCB与触摸面板通过双面胶粘接，双面胶的厚度取0.1～0.15mm比较合适，推荐采用3M468MP，其厚度0.13mm。要求PCB与面板之间没有空气，因为空气的介电系数为1，与面板的介电系数差异较大。空气会对触摸按键的灵敏度影响很大。所以双面胶与面板，双面胶与PCB粘接，都是触摸按键生产装配中的关键工序，必须保证质量。

  PCB与双面板粘接，PCB带双面胶与面板装配时都要用定位夹具完成装配，装配完成后，要人工或用夹具压紧。为了保证PCB板与面板之间没有空气，需要在双面板上开孔和排气槽，并且与PCB上开孔配合。设计夹紧夹具时，重点压触摸按键的部位，确保感应部位没有空气。

五、触摸IC选用

    目前，世界知名电子元器件供应商均加大了对电容式触摸按键IC的应用研究，并推出了众多的专业芯片（本文简称触摸芯片），也有众多基于MCU集成类的IC，设计人员选择空间较大，可以根据功能的需求和芯片的性价比来选择适合设计需要的IC，也可以自己设计基于MCU的A/D口实现触摸IC。

六、触摸过程中问题点以及解决办法

1、按键误触的现象

  原因分析：（1）灵敏度过高 （2）静电干扰 （3）按键之间的串扰

  解决办法：

（1）硬件处理方式

   遵循硬件设计准则，适当调整硬件设计。

   a、首先考虑通过硬件调整，比如按键间距，引入气隙等，其次考虑调整阈值（即触摸芯片旁边的灵敏度电容）。

   b、减少电源引起的干扰

• 电源与地平行走线并尽量拉等宽与等距的线，作用是电容效滤波、减小共模干扰。

• 电源与地平行走线需先经过104 电容（ 104 电容尽量靠近 IC ）再到MCU的 VDD，VSS 脚，这样对滤除 EFT 测试等高频干扰极有效。

• 电源处理 PCB 接地时，因为和人体形成共地回路，触摸效果要比不接地时好。尽可能采用更高的 VDD 供电。如果没有覆盖层情况下，需要考虑 ESD。

• 条件允许的话尽量给触摸IC单独供电。

   c、触摸PAD到MCU触摸管脚的走线要尽量短和细（建议7~10mil），长度越短越佳，以确保信号的稳定。同时主动屏蔽能够减少近距离时各个按键之间串扰、寄生电容和其他走线引发的干扰。主动屏蔽线在按键周围走线建议宽度不小于 1mm，屏蔽线与按键的建议间距 2～3mm。在按键与芯片引脚之间连接线附近，屏蔽线的宽度可与连接线保持一致，间隔可以缩短至 0.5mm。

   d、覆盖板的厚度越大，触摸的灵敏度越小，信噪比也越低。触摸PAD面积越小，其感应的范围越小，覆盖板要求越薄。 触摸面板材质应是绝缘或者非导电性的。与触摸PAD直接接触的外壳材料，避免使用金属及含碳等导电质。

（2）软件处理方式

  触摸按键必然会引入抖动和噪声，建议在MCU资源允许情况下引入软件二次处理，软件处理方法较多，根据不同的现象选择不同的软件处理方式。

• 增加软的调试接口，使得每个按键得防抖时间可调，使灵敏度可控制。

• 对于脉冲噪声（针对毛刺）可以利用压摆率限流器滤波。

  压摆率限流器滤波——SRL 滤波，当新测量值高于当前值，则更新当前值+1，若新测量值 小于当前值，则更新当前值-1。该类滤波需要更高的采样率。

• 针对工频干扰的工频周期采样平均法。

  工频周期采样平均——若每个工频周期采样次数设置为10次，则利用定时器每2ms触发 一次单个或多个通道采样，把采样结果累加取平均值。

• 数字滤波器 。

2、按键无反应的现象

（1）原因分析：灵敏度太低

（2）解决办法：

• 硬件处理：考虑调整阈值，但是更为重要的是遵循硬件设计准则。

• 软件处理：增加软的调试接口，降低每个按键的防抖时间，使灵敏度可控制。

七、总结故障处理

• 按键串扰——首先考虑通过硬件调整，比如按键间距，引入气隙等；其次可以考虑调整阈值；

• 脉冲噪声——最佳处理方法为软件方法，简单有效的是压摆率限流器滤波。

• 按键无反应——调整阈值，更为重要的是遵循硬件设计准则。

• 按键突变——处理方法有去抖、阈值调整。