張吉征 陳妃味

（廣東TCL 智能暖通設(shè)備有限公司 中山 528427）

引言

電容式觸摸按鍵是一種無需機(jī)械鍵盤的輸入設(shè)備，通過觸摸傳感器和控制芯片實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的檢測(cè)和處理。電容式觸摸按鍵通過檢測(cè)物體與電極之間的電容變化來實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的檢測(cè)。它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，常用于智能家居如燈光開關(guān)、窗簾控制、空調(diào)控制、智能手表交互控制、智能手機(jī)交互、汽車控制面板等場(chǎng)景。電容式觸摸按鍵由于可以實(shí)現(xiàn)一體化平面設(shè)計(jì)，觸摸按鍵的應(yīng)用不僅提高了產(chǎn)品的美觀度和交互性，而且還大大提升了用戶的使用體驗(yàn)。因觸摸按鍵設(shè)計(jì)使產(chǎn)品外觀精致，交互便利導(dǎo)致觸摸按鍵在產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，市場(chǎng)需求量逐年水漲船高。

但觸摸按鍵技術(shù)自身有弊端，主要存在誤觸問題、靈敏度問題及觸摸按鍵失效。誤觸問題是有時(shí)候用戶不小心觸碰了按鍵或由于外界環(huán)境影響產(chǎn)生誤觸發(fā)，造成不必要的麻煩；靈敏度問題本身是個(gè)矛盾體，設(shè)置太靈敏，容易產(chǎn)生誤觸發(fā)，降低靈敏度，影響用戶體驗(yàn)，給客戶一種不好用的感覺；潮濕的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)觸摸按鍵有很大的影響，極易引發(fā)觸摸按鍵失效，給用戶一種產(chǎn)品可靠性差的印象。

我們要充分了解觸摸按鍵原理和應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)用戶的使用習(xí)慣，改善觸摸方案的硬件設(shè)計(jì)，優(yōu)化軟件算法邏輯，提高產(chǎn)品可靠性和用戶體驗(yàn)。

1 觸摸原理方法概述

1.1 自電容法

如圖1 的左側(cè)顯示了待機(jī)時(shí)電極的電容，右側(cè)顯示電容因人體接觸而增加的電容。電極和線路中自身存在著寄生電容。當(dāng)一個(gè)手指接近時(shí)，在電極和手指之間產(chǎn)生電容，使得電極之間的電容增加。自電容方法以這種方式檢測(cè)GND 之間產(chǎn)生的電容的變化。

電極與GND 之間的總電容可以用下式表示。

式中：

C—電極檢測(cè)的總電容；

Cp—寄生蟲電容；

Cf—手指觸摸產(chǎn)生的電容。

自電容測(cè)量法的測(cè)量物體（圖中的手指）接近觸摸電極時(shí)電容的增加值。

1.2 互電容法

如圖2 在互電容法中，測(cè)量一對(duì)電極、發(fā)送電極TX 和接收電極RX 之間產(chǎn)生的靜電電容。當(dāng)一個(gè)手指接近電極時(shí)，一部分電磁場(chǎng)移動(dòng)到人體，導(dǎo)致電極之間的電容減小。通過周期性地觀察這些電極之間的電容，可以檢測(cè)到人體的接近。

圖2 互電容法的觸摸檢測(cè)原理

圖3 水附著于一個(gè)電極時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)

互電容測(cè)量法測(cè)量一對(duì)電極（接收電極和發(fā)送電極）的電極間電容。當(dāng)手指靠近觸摸電極時(shí)，感應(yīng)器測(cè)量電極間電容的減小值。

2 電容式觸摸按鍵潮態(tài)機(jī)理

水的介電常數(shù)高達(dá) 80，容易與電極或者電極之間產(chǎn)生電容并因此導(dǎo)致觸摸誤檢測(cè)。

2.1 自容式觸觸摸按鍵潮態(tài)場(chǎng)景

1）水附著于單個(gè)電極，自電容和互電容檢測(cè)中沒有檢測(cè)到電容的變化。也就是說，水附著于一個(gè)電極不會(huì)導(dǎo)致觸摸誤檢測(cè)。 圖 3 顯示了當(dāng)水附著于一個(gè)電極時(shí)的自電容測(cè)量數(shù)據(jù)。附著于一個(gè)電極上的水不產(chǎn)生額外的電容（測(cè)量的數(shù)據(jù)不變），因此不會(huì)導(dǎo)致觸摸誤檢測(cè)發(fā)生。

2）水附著于多個(gè)電極，附著于多個(gè)電極上的水在自電容檢測(cè)時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸摸誤檢測(cè)發(fā)生，在自電容檢測(cè)中，附著于多個(gè)電極上的水會(huì)在電極間產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致檢測(cè)電容值增加。自電容檢測(cè)依據(jù)檢測(cè)到的電容值的增加情況來判斷觸摸/非觸摸狀態(tài)，因此會(huì)導(dǎo)致觸摸誤檢測(cè)發(fā)生。

如圖4 顯示當(dāng)水附著于多個(gè)電極時(shí)的自電容測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)，TS11 顯示有超過觸摸檢測(cè)閾值導(dǎo)致誤檢測(cè)發(fā)生，而 TS10由于未超過觸摸檢測(cè)閾值（綠線所示），所以沒有觸摸誤檢測(cè)發(fā)生。

圖4 水附著于多個(gè)電極時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)（自電容）

3）接地到 GND 的水附著于一個(gè)電極，如圖7 所示，當(dāng)接地到 GND 的水附著于一個(gè)電極時(shí)，電極和水之間產(chǎn)生的電容導(dǎo)致電容增加。在自電容測(cè)量時(shí)，導(dǎo)致觸摸誤檢測(cè)發(fā)生 (當(dāng)人觸摸電極導(dǎo)致電極接地到 GND 時(shí)也是如此)。圖5 顯示了接地到 GND 的水附著于電極時(shí)的自電容測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖5 接地到 GND 的水附著于電極（自電容）

2.2 互容式觸觸摸按鍵潮態(tài)場(chǎng)景

如圖6 所示，當(dāng)接地到 GND 的水附著于電極時(shí)，電極和水之間產(chǎn)生的電容導(dǎo)致電容增加。同時(shí)，電極（發(fā)送電極和接收電極）間電容由于接地到 GND 而減小。因此，在互電容檢測(cè)中，接地到 GND 的水附著于電極時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸摸誤檢測(cè)發(fā)生（當(dāng)人觸摸電極導(dǎo)致電極接地到 GND 時(shí)也是如此）。

圖6 接地到 GND 的水附著于電極（互電容）

由于電極上的水接地到 GND 導(dǎo)致互容減小，因此互容測(cè)量值減小，觸摸誤檢測(cè)發(fā)生。圖6 顯示了當(dāng)水附著于多個(gè)電極且其中一個(gè)電極接地到GND 時(shí)的互電容測(cè)量數(shù)據(jù)。

3 電容式觸控按鍵耐水性設(shè)計(jì)

3.1 自電容式觸摸按鍵耐水性硬件設(shè)計(jì)處理

和互電容方式相比，自電容方式的觸摸按鍵耐水性能較差，而且不能完全避免誤操作。但是我們可以通過采取相應(yīng)的措施和方法，可以在一定程度上提高它的耐水性能。

如果兩個(gè)觸摸鍵電極之間的距離太近，在潮態(tài)環(huán)境下會(huì)有水滴或水膜同時(shí)附在兩個(gè)或多個(gè)電極上，造成相鄰電極的誤檢測(cè)。此時(shí)應(yīng)拉開各個(gè)電極之間的距離，避免觸摸鍵電極之間的距離太近，水滴會(huì)導(dǎo)致多個(gè)電極的橋接，從而引起誤檢測(cè)。

3.2 自電容耐水性軟件設(shè)計(jì)處理

圖7 是耐水性軟件處理流程圖，不同品牌方案對(duì)應(yīng)邏輯處理的核心邏輯基本相同，軟件邏輯的核心就是檢測(cè)到一個(gè)或多個(gè)觸摸按鍵因受潮態(tài)影響產(chǎn)生電容增大時(shí)，觸摸軟件及時(shí)更新校準(zhǔn)基準(zhǔn)，保證觸摸按鍵及時(shí)響應(yīng)。

圖7 軟件流程圖及邏輯

3.3 自容式觸摸線控器面板軟件防潮處理邏輯

圖8 是線控器的操作面板，共有開/關(guān)、MODE、BACK、MENU、OK、UP、DOWN、LEFT、RIGHT 等9 個(gè)按鍵，采用自容式觸摸按鍵設(shè)計(jì)方案，以線控器軟件防潮處理為例說明軟件設(shè)計(jì)邏輯。

圖8 線控器觸摸按鍵界面

當(dāng)水汽覆蓋按鍵后背認(rèn)為被識(shí)別為多個(gè)按鍵被同時(shí)按下，如果此時(shí)不處理，觸摸按鍵時(shí)就會(huì)表現(xiàn)為觸摸按鍵失效，觸摸按鍵不響應(yīng)，這種場(chǎng)景在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)，給客戶帶來極差的使用體驗(yàn)。

針對(duì)高濕環(huán)境下使用觸摸按鍵，多按鍵按下的時(shí)候如果沒有更新基線，就會(huì)出現(xiàn)觸摸按鍵相應(yīng)的現(xiàn)象，為提升用戶實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，以線控器觸摸按鍵為例說明現(xiàn)有邏輯應(yīng)用層上對(duì)基線鎖定:

1）基線鎖定，干擾產(chǎn)生信號(hào)未達(dá)到閾值，程序判定后延時(shí)5 s 復(fù)位基線適應(yīng)環(huán)境，保證系統(tǒng)盡快從環(huán)境異常中恢復(fù)，這樣可以避免鎖定后基線太高，極個(gè)別按鍵遲鈍信號(hào)減小不靈敏的情況。

2）對(duì)于基線鎖定達(dá)到閾值產(chǎn)生觸摸輸出的情況，對(duì)于我們規(guī)定的menu+down 和mode+down 組合以外的組合鍵，認(rèn)為系統(tǒng)誤觸發(fā)，復(fù)位基線盡快恢復(fù)。

3）對(duì)于基線鎖定后的長(zhǎng)按鍵除了 up 、down、ok 的其他單個(gè)長(zhǎng)按鍵做了3 s 后的清除和基線復(fù)位。對(duì)于 up、down、ok 三個(gè)中的單個(gè)長(zhǎng)按鍵涉及到用戶操作，做了60 s 的長(zhǎng)按限制，誤觸發(fā)后，超過此時(shí)間清除按鍵信號(hào)復(fù)位基線，保證系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

4 互容式電極的耐水布線設(shè)計(jì)

4.1 互電容耐水性硬件設(shè)計(jì)處理

在潮態(tài)環(huán)境下使用設(shè)備，電極的表面會(huì)形成水膜，由于水的具有高的介電常數(shù)，這時(shí)，如果手指接觸水膜，相當(dāng)于手指接觸到了水膜下的多個(gè)電極，電極上的水接地到 GND 導(dǎo)致互容減小，導(dǎo)致觸摸誤檢測(cè)發(fā)生，所以硬件設(shè)計(jì)上要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)處理。

1）增大電極間距，所有對(duì)于耐水性能要求較高的產(chǎn)品，必須確保各個(gè)電極之間保持有足夠?qū)挼木嚯x。為了防止相鄰電極之間由于水汽產(chǎn)生電容的誤檢測(cè)（串?dāng)_），電極之間的距離建議是面板厚度（包括空氣層）的 2 倍以上，即電極間距≧2×面板厚度（空氣層）。

2）電極盡量在水平方向排布，即與水流向垂直排布，最大程度避免水流把相鄰電極橋接。對(duì)于在測(cè)量中不使用的電極，發(fā)送電極Tx 引線輸出低電平。對(duì)于耐水性能要求較高的產(chǎn)品，可以將所有的發(fā)送電極 Tx 引線集中在一組中。這樣可以防止非活動(dòng)狀態(tài)的發(fā)送電極 Tx 引線通過水膜與其他電極橋接，從而造成誤檢測(cè)。

4.2 互電容耐水性軟件設(shè)計(jì)處理

互電容耐水性軟件處理與自容電容式耐水軟件處理大體一致，只是在判定標(biāo)準(zhǔn)不一樣，自容電容式耐水軟件處理判斷電容增大進(jìn)行觸摸響應(yīng)，而互電容耐水性軟件處理是判斷電容減小進(jìn)行觸摸響應(yīng)，當(dāng)電極檢測(cè)到一個(gè)或多個(gè)觸摸按鍵因受潮態(tài)影響產(chǎn)生互電容減小時(shí)，觸摸軟件及時(shí)更新校準(zhǔn)基準(zhǔn)，保證觸摸及時(shí)響應(yīng)。這里不在重復(fù)闡述。

5 結(jié)論

電容式觸摸按鍵針對(duì)耐水性問題可以通過硬件設(shè)計(jì)調(diào)整，有針對(duì)性完善不同場(chǎng)景下軟件處理邏輯，就能很好的解決電容式觸模按鍵誤觸發(fā)、靈敏度及按鍵失效的問題。我們需要不斷從提升產(chǎn)品可靠性和用戶體驗(yàn)兩個(gè)維度去完善電容式觸控鍵設(shè)計(jì)方案。

我們相信，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)，電容式觸摸按鍵技術(shù)會(huì)成為一種更加可靠、便捷的觸摸控制技術(shù)，隨著智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，電容式觸摸按鍵將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。