介绍

触摸传感解决方案，如：触摸板、触摸屏、电容键盘等正在逐渐替代机械按钮或薄膜键盘。它们用于多种应用，从计算机、电器和工业设备等消费电子产品到 MP3 播放器或手机等便携式设备。它们提供人性化界面，用于向系统输入值或设置命令。例如，常见手机或滑盖手机上的数字 "1" 到 "9"、"#"、"*" 等，用于将无线容量调高或调低。

从机械按钮或薄膜键盘到触摸传感解决方案的迁移在几个方面增加了应用的价值。 触摸传感解决方案不涉及机械部件，这消除了由于空气接触而引起的材料损耗或腐蚀的机率。设计还能够完全与外部环境隔绝。触摸传感解决方案还通过简化机械设计和降低材料成本而减少了总成本。此外，它们因为其操作简易和时尚精致的外形而更受用户欢迎。

背景信息

通常来说，触摸传感解决方案由平坦且非传导性平面组成。该平面在触摸屏情况下可以是透明的，而在电器和个人数字助手 (PDA) 等情况下是不透明的。该平面的一面作为人与系统之间的界面，而另一面包含用于以检测并验证是否符合人的触摸感觉的电路、传感器、或机制。

图1触摸板示例

有几种实现触摸传感功能的选择，它们的传感方法和操作范围各不相同。飞思卡尔的触摸传感器专为无需物理接触而检测物体的存在而设计。触摸传感器能够支持多个电极，其中多个不同的应用能够由一个传感器进行控制。

飞思卡尔提供广泛的触摸传感器系列，作为针对从游戏控制器到乘员检测等应用的标准产品和软件解决方案。目标市场包括消费电子、家电、汽车电子、工业、医疗和网络等。

飞思卡尔 Touch Sensing Software Suite（触摸传感软件套装，TSS）支持任何 8位 S08 MCU 作为触摸传感器，为人机界面提供经济高效和灵活的解决方案。TSS 基于两个主要转换算法，用于电容测量、高级触摸逻辑 (ATL) 和电容式 turbo 传感。 这些算法是飞思卡尔扩展的 IP 系列和专利的一部分。这些模块使用简单的 I/O 引脚，提供从模拟值到数字值的低级转换。然后对该数字化值进行处理，以避免错误检测或对检测与校准模块产生噪声影响。

根据产品系列和操作原理，灵敏度、输入数及响应时间可能会有所变化。然而，正确的手指触摸检测不仅依靠传感器而且也依靠与其相连的电极。电极的几何、大小、材质、厚度及布局都影响触摸的测量。

最简单的方法是触摸传感是基于平行板电容器模型的。在该模型中，电容量C 的变化与两个平行板的正对面积 A 乘以它们之间物体的介电常数 k 成正比。电容量 C 与两个板之间的距离 d 成反比。

理解电容式触摸传感器或电场传感器工作方式的最简单的方法是通过 AC 的 RC 模型（如图 3 所示）。生成正弦曲线电场信号 并发送到电极。然后信号经过检测器电路，该电路将信号的衰减与相移转换为电压电平。

图 3电容式传感器模型（用于 MC33794 飞思卡尔电场传感器）

根据该模型，灵敏度在固定频率与电极阻抗成正比。在此假设之下，用于电极的材料的传导性确实会影响电路的增益或灵敏度，增加被测电容量的串联电阻，但是可以探索不同的传导性或材质，以节约成本，同时保持可接受的灵敏度水平。

电容电极材质

通常触摸板用多层导体和电介质一起构建，以形成整个板；第一层通常是唯一对用户可见的层，它是前面板，通常由玻璃或亚克力制成，包括标签、颜色及其它审美细节。

第二层通常是粘性材料，作为前面板和导电电极层之间的机械附着物。

导电电极通常是第三层，由铜制成，以印刷电路板（PCB） 或 柔性印刷电路板（Flex PCB）的形式被构建于大多数应用中；某些应用要求使用透明导体材料，在这些情况下，使用 ITO（铟锡氧化物）等其它材料。

包括 TSS 库在内的触摸传感解决方案支持不同种类的硬件设计、印刷电路板、电容膜、柔性印刷电路板（flexpcb）、ITO 及其它。

欲获取电极和布局设计最佳实践的扩展性指南，请从www.freescale.com/touchsensing 下载应用说明 Designing Touch Sensing Electrodes（触摸传感电极设计）（文档 AN3863）。

电容膜与印刷电路板的比较

尽管印刷电路板 (PCB) 是触摸传感应用的最常见的解决方案之一，但是对于最终应用来说，该解决方案在曲率和不规则性方面有若干限制；应用必须是平面或平坦的，以确保当使用 PCB 时产品的可制造性和可靠性并保证成本不超出预算。

柔性印刷电路板（FlexPCB）和 ITO，在另一方面，由于其内在的灵活性能够适应曲率或不规则的表面，然而，与使用印刷电路板的平板相比，系统级的解决方案往往会比较昂贵。

与柔性印刷电路板（FlexPCB）或 ITO 相反，对于能够适应面板表面曲率的灵活的触摸传感解决方案的实施，电容膜是一个有效但昂贵的解决方案。

电容膜的原理最初专为创建机械键盘而设计，也称为薄膜开关。它们的创建流程及本质也使得它们成为触摸传感应用的适合的、经济高效且可靠的解决方案。

37年多以来，KEE 集团以开发最高标准的平面设计产品而著称。在产品识别、机电接口和装饰性产品方面，它一直在提高其专业水平。

KEE 触摸膜技术能够取代传统的机械和薄膜开关技术。使用灵活的网板印刷传导油墨的触摸板有许多优点。其中一些如下：

• 它非常灵活，使得它适用于完全表面
• 它能够直接附加到触摸平面的后部
• 它是超薄设计
• 该部件密封，可防潮防污染
• 柔性尾部与电路集成，因此它不需要单独的互联
• 没有活动部件，使用寿命较长

印刷电容膜的典型构造

在图 4 中，导电电极被印刷在薄膜的第一个面上，地线包括尾部被印刷在反面，以减少噪声。 表层和底层的密封防止油墨暴露于环境。

图 4基本电容膜分层构造

在需要较高降噪水平的情况下，在电极顶部添加另一个地线层，如图 5 所示。电介质印刷在电极的上方，然后在其上方印刷一个顶层地线。此类设计对需要 ZIF 或较低插入类型连接器的情况非常有用。

图 5 用于降噪的电容膜层叠

另一个选项如图 6 所示。地线被印刷在不同薄膜上的电极顶部和底部，通过在尾部卷曲阴或阳引脚或通过导通孔将各层连接起来。

图 6

有各种灵活方法将该印刷传导技术用于触摸板中，这使得它成为许多应用的理想解决方案。

创建电容膜所使用的材料

1. 导电油墨：网板印刷是典型应用，并且，为了最大程度地增加传导性、灵活性、可印刷性及在灵活电路制造中所使用的各种基底的粘着力，对该流程进行控制。通过混合油墨或通过设计（如控制欧姆/平方/mil 测量）获得不同的电阻值。

2. 聚酯薄膜：适用于 0.005”厚度印刷 的热塑聚酯最常见，但是也有容纳各种 ZIF 或插入力较低的接头的更厚的薄膜。

实施流程（基本网板印刷）

创建电容膜的基本制作流程如下图所示：

电路设计指南

• 多层电路通过使用电介桥接和银跨接结构实现。另一个选择是使用导通孔在薄膜两面都进行印刷。
• 注意使用最短的路径设计轨迹，最小轨迹宽度为 0.018” 间隔为 0.020”。
• 地面轨迹最小轨迹宽度为 0.025”。
• 建议在尾部的接触点上暴露的银轨迹的上面涂加碳墨，以减少银的氧化。
• 为了增加价值，可以在灵活网板印刷电路上安装 LED 等安装在表面的设备。然而，为了确保可靠性，必须有与油墨系统兼容的导电性粘接剂和密封剂。一旦安装了 LED，须注意扭曲或粗暴搬运可能会破坏连接。建议带有 LED 或其它 SMD 的网板印刷电路搁置在平坦表面。
• 互连可以是阴性、阳性、零或低插入力接头，提供多种节距。还能够容纳锁定类型的接头。
• 不可折柔性尾部，但是 按照ASTM F1683-02 建议，可接受较小半径的弯曲。

结论

对于触摸传感应用而言，电容膜是一个可靠的且具有成本效率的解决方案。它的灵活性和厚度为最终应用带来几大优势。在一个具有成本效率的解决方案中，基于电容膜的触摸传感应用可能更轻薄、完全密封且包含弯曲表面。

飞思卡尔半导体和KEE 集团携手支持您的触摸传感应用。飞思卡尔半导体提供支持触摸传感的广泛的产品，从模拟电场、传感器以及专用集成电路（ASIC）到可移植到任意平台的嵌入式软件库。KEE 集团提供面向触摸传感应用的定制电容膜解决方案，其拥有平面设计产品开发方面的最高标准。

作者：Sandra Wada (Kee Group; Brea, CA) Oscar Camacho（飞思卡尔半导体； Guadalajara，MX）