趙 勝

（上?？剖肋_(dá)-華陽汽車電器有限公司， 上海 201814）

隨著手機(jī)等電子設(shè)備的快速發(fā)展，智能內(nèi)飾的概念出現(xiàn)了。一張?jiān)O(shè)計(jì)師眼中的智能內(nèi)飾見圖1，該內(nèi)飾上已經(jīng)沒有看到機(jī)械按鍵，而是將一些人機(jī)交互的界面集成在了內(nèi)飾件比如儀表板裝飾條、門板裝飾條上。智能內(nèi)飾是一個(gè)很廣的概念，包含了很多實(shí)際的研究領(lǐng)域，比如電容觸控技術(shù)、表面處理、顯示技術(shù)、反饋系統(tǒng)、氛圍燈等，而本文著重闡述其中的傳感器技術(shù)。與傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)不同，為了實(shí)現(xiàn)一體的內(nèi)飾效果，操作者的輸入主要是通過電容觸控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，操作者的手指觸摸動(dòng)作能帶來隱藏在背部的電容傳感器的信號(hào)變化，經(jīng)過信號(hào)處理傳遞到MCU后激活相應(yīng)功能。在電容觸控技術(shù)的實(shí)際使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)手指觸摸上去就能激活功能，有極大的誤觸發(fā)可能性，所以在新的產(chǎn)品中力傳感器也越來越多地要求被應(yīng)用。有了手指的觸摸信號(hào)，還要加上手指按壓一定的力，這樣才能讓系統(tǒng)激活相應(yīng)功能。

圖1 設(shè)計(jì)師眼中的智能內(nèi)飾

1 電容式觸摸傳感器

目前汽車工業(yè)領(lǐng)域的觸控技術(shù)使用較多，較早的有顯示屏上使用的電阻式傳感器，電阻式傳感器由于靈敏度不夠高，并且比較容易受環(huán)境影響現(xiàn)在已經(jīng)在市場上被取代。目前市場上還有操作安全性更高的紅外式傳感器來實(shí)現(xiàn)觸控，該技術(shù)不用依賴于使用導(dǎo)體來觸控，任何不透光的物體都可以操作而被識(shí)別，但該技術(shù)需要使用較多紅外傳感器，價(jià)格昂貴，并且只能使用在一個(gè)平面上如顯示屏。而本文要重點(diǎn)闡述的電容式傳感器，靈敏度高、性能穩(wěn)定、受環(huán)境影響小，并且價(jià)格適中。

1.1 原理

電容觸控技術(shù)的原理是基于電容形成的原理而展開的，電容的結(jié)構(gòu)其實(shí)是由兩片相互絕緣、相互接近的導(dǎo)體所組成的，它可以存儲(chǔ)電能與電荷，其電容計(jì)算為C=ε0εrA／d，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr為覆蓋物介電常數(shù)，A為接觸面積，d為覆蓋物厚度［1］。

電容式傳感器基于電容的基本原理（圖2），采用一對(duì)相鄰的電極，按鍵背部粘貼的傳感器會(huì)通過柔性板等方式和電路板上的檢測電路連接，當(dāng)其他導(dǎo)體（通常指人的手指） 接近電極時(shí)，隨著2個(gè)電極之間的距離減小，這將增加手指和電極之間的電容。對(duì)這一電容進(jìn)行測量，即可判斷出導(dǎo)體的存在。基于這項(xiàng)技術(shù)，即可將其應(yīng)用于各項(xiàng)場合。在實(shí)際應(yīng)用中，覆蓋物可以是塑料，也可以是玻璃等非導(dǎo)電物體。

圖2 電容觸控基本原理

1.2 應(yīng)用分類

電容式觸摸傳感器主要分為4種，分別是按鍵式、滑條式、2D矩陣式和接近感應(yīng)式，如圖3所示，其中接近感應(yīng)式可以直接在前3種傳感器的基礎(chǔ)上通過軟件算法來實(shí)現(xiàn)，故沒有單獨(dú)的圖片介紹。

圖3 電容觸控分類

按鍵式傳感器在每個(gè)需要觸摸的信標(biāo)下方都設(shè)置有單獨(dú)的傳感器，其大小和手指大小接近，圖3中的按鍵式傳感器展示了典型的按鍵式傳感器設(shè)計(jì)。在該應(yīng)用中，用戶通過觸摸就能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。在實(shí)際應(yīng)用中也可以配合壓力感應(yīng)來防止誤操作。

和按鍵不同，滑條式通常是由好幾個(gè)按鍵組成，往往排列整齊且大小均勻。在形狀上，滑條有直線型和環(huán)形，直線型用于一個(gè)方向上的滑動(dòng)操作，用于識(shí)別手指的左右或上下運(yùn)動(dòng)，而環(huán)形用于類似旋鈕一樣的操作，用于識(shí)別手指順時(shí)針或逆時(shí)針方向滑動(dòng)。

而2D矩陣式傳感器通常是橫向設(shè)置一定數(shù)量傳感器，縱向設(shè)置一定數(shù)量傳感器，當(dāng)手指觸摸到某一位置時(shí)，通過判斷橫向和縱向位置的交叉點(diǎn)而找到精確的手指位置。該應(yīng)用廣泛應(yīng)用于手機(jī)和電腦觸摸板，汽車上被用于觸摸顯示屏。由于其位置探測上的高分辨率，也可以用于某些設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)手指上下左右的滑動(dòng)識(shí)別，比如用于導(dǎo)航按鍵上取代傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)，或昂貴的光學(xué)傳感器。

1.3 開發(fā)過程

不同于機(jī)械按鍵式開關(guān)，電容式觸控產(chǎn)品集成度高，其功能可靠性依賴于機(jī)械、電子硬件和軟件設(shè)計(jì)，這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須完美融合在一起才能保證產(chǎn)品功能正常。所以在電容觸摸傳感器的開發(fā)過程中，需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，在實(shí)物出來后進(jìn)行實(shí)物測量，并在生產(chǎn)線進(jìn)行在線標(biāo)定，保證生產(chǎn)的一致性，而這個(gè)過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都是測量和優(yōu)化調(diào)整的過程。如圖4所示。

圖4 電容觸控關(guān)鍵過程

在完成初版結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和電容傳感器Layout后，需要對(duì)電容信號(hào)進(jìn)行模擬仿真，由此可以判斷信號(hào)量是否足夠以激活功能并保證EMC抗擾性能，同時(shí)也可以看到傳感器大小和位置設(shè)計(jì)是否合理，是否存在信標(biāo)之間的信號(hào)竄擾，滑動(dòng)操作是否能有效被判斷。如果仿真不合格，可以通過優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如減薄壁厚、設(shè)置部分區(qū)域隔斷、增加屏蔽線等方式。仿真結(jié)果合格后可進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)及圖紙放行。

在結(jié)構(gòu)件以及電路板生產(chǎn)出來后需要進(jìn)行實(shí)物測量，以確認(rèn)實(shí)際測量值和仿真結(jié)果是否有偏差，如有偏差需要通過調(diào)整硬件電路上的相關(guān)器件來達(dá)到信號(hào)量的最大化。如果實(shí)測有信號(hào)竄擾，也需要研究是否由于零件材料、工藝等帶來，通過不斷測量和優(yōu)化，最終固定到產(chǎn)品中去。

由于電容信號(hào)會(huì)受環(huán)境、零件材料密度、裝配等的影響，在產(chǎn)品從生產(chǎn)線上下來前需要經(jīng)過電容信號(hào)標(biāo)定，以減小各種因素帶來的信號(hào)公差，保證產(chǎn)品的一致性。

2 力傳感器

觸控開關(guān)目前常用的力傳感器有壓電陶瓷、電阻式壓電片、電容式壓力傳感器和光電式壓力傳感器。出于價(jià)格和可靠性考慮，目前應(yīng)用較多的是電容式和光電式傳感器。典型的壓力傳感器見圖5，其中左側(cè)傳感器為電容式，金屬彈片受力后會(huì)發(fā)生形變，該形變會(huì)帶來彈片和PCB上電極之間距離變化而產(chǎn)生電容信號(hào)變化，通過相關(guān)檢測電路探測到信號(hào)變化。而右側(cè)的光電式傳感器系統(tǒng)中，面板和殼體之間會(huì)設(shè)置一定的彈性連接，當(dāng)面板上施加力時(shí)會(huì)帶來面板和PCB之間距離變化，此時(shí)PCB上會(huì)有一個(gè)紅外式的光學(xué)LED，通過發(fā)送和接收反射回來的光能計(jì)算出距離變化。

圖5 典型的電容式和光電式力傳感器模型

和觸摸傳感器一樣，力傳感器在設(shè)計(jì)階段也需要進(jìn)行很多機(jī)構(gòu)上的力學(xué)仿真，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和重復(fù)仿真讓彈片達(dá)到足夠的變形量。另一方面也需要進(jìn)行電容信號(hào)的仿真，通過優(yōu)化彈片和傳感器之間的距離、疊加面積等來獲得足夠的信號(hào)量。通過這些仿真能夠達(dá)到在OEM定義操作力情況下產(chǎn)生足夠的信號(hào)。由于力傳感器靈敏度非常高，任何的零件公差都會(huì)帶來很大的信號(hào)差異，所以力傳感器不論在開發(fā)階段還是在生產(chǎn)線上都需要被標(biāo)定。對(duì)每個(gè)信標(biāo)進(jìn)行力標(biāo)定后才能達(dá)到每個(gè)信標(biāo)上操作力的一致性，也能達(dá)到產(chǎn)品之間操作力的一致性。

3 結(jié)束語

以上對(duì)觸摸傳感器和力傳感器分別做了介紹，其中觸摸傳感器有很多類型，分別有不同應(yīng)用場景，所以設(shè)計(jì)上也有一些差異。另外，為了降低觸摸類產(chǎn)品的誤操作率，力傳感器也越來越多地得到應(yīng)用。本文也介紹了常見的力傳感器原理，并簡單描述了該類傳感器的開發(fā)過程。

由于電容觸控相比傳統(tǒng)開關(guān)反饋性變差，即駕駛員在駕駛過程中雙眼不能離開前方的同時(shí)操作觸控區(qū)域，更難保證是否確實(shí)按下了開關(guān)，所以市場上現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了震蕩反饋的方案，筆者也有參與振動(dòng)反饋類的項(xiàng)目，后續(xù)有機(jī)會(huì)可以撰寫該技術(shù)的專題文章。