威艺弹簧:根据电容式触摸按键设计分析触摸弹簧设计应注意什么

2020-09-16 11:55 威艺小编
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电容式触摸按键已经广泛应用在家用电器、消费电子市场,其主要优势有:

  • 无机械装置,使用寿命长

  • 非接触式感应,面板不需要开孔

  • 产品更加美观简洁

  • 防水可以做到很好

本篇文章就简单介绍下电容式按键得原理以及PCB设计注意事项。

原理

电容式触摸感应是通过测量面板和环境电容变化来检测是否有触摸时间发生。人体手指触摸时,会存在一定电容,构成了电容板的一极,电容的另一极是PCB板铜皮,两级之间添加介质使得变成一个电容器,如下图所示:

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触摸传感器电路可以测量触摸引脚上路径的总电容,当路径上总电容变化量超过阈值,会判定为“手指触摸”。下图是电路板路径上电容分布:

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电容组成说明
C g r o u n g C_{groung}Cgroung触摸参考地和大地之间的电容
C c o m p o n e t C_{componet}Ccomponet芯片内部寄生电容
C t r a c e C_{trace}Ctrace走线与电路参考地的电容
C e l e c t r o d e C_{electrode}Celectrode触摸电极与电路参考地电容
C t o u c h C_{touch}Ctouch手指与触摸电极形成的相对于大地的电容

触摸传感器的读取数值是上表所有电容共同作用的结果,其中C c o m p o n e t C_{componet}CcomponetC t r a c e C_{trace}CtraceC e l e c t r o d e C_{electrode}Celectrode通常被称为寄生电容C p C_pCp(即未发生触摸动作时的电容)C t o u c h C_{touch}Ctouch是发生触摸动作时的电容。当寄生电容C p C_pCp越小,C t o u c h C_{touch}Ctouch越大时,触摸动作越容易被系统检测到,即灵敏度就越高。

结论:做电容式触摸按键时,最重要的设计就是降低寄生电容C p C_pCp,同时提高触摸电容C t o u c h C_{touch}Ctouch

减少寄生电容C p C_pCp的方法:

  1. 减少走线长度

  2. 优化PCB布局

增大触摸电容C t o u c h C_{touch}Ctouch的方法:

  1. 减少电路板与面板即覆盖层的厚度

  2. 覆盖层与电容紧密贴合,选择介电常数大的覆盖层

  3. 增大触摸电极面积

覆盖层的选择

电容板容性计算公式为:

C t o u c h = ε ∗ S 4 ∗ π ∗ k ∗ d C_{touch}=\frac{ε*S}{4*π*k*d}Ctouch=
4πkdεS

ε:覆盖层的介电常数
S:为手指接触覆盖层与触摸电极的映射面积
k:静电力常量
d:覆盖层厚度

不同材料的介电常数:

空气的介电常数是最低的,需要使用介电系数高一点的材料保证高灵敏度。

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覆盖层安装时需要注意:当紧贴覆盖层安装时,可以使用绝缘的粘合剂进行粘接,去除间隙,保证稳定。当有距离时,可以使用金属弹簧连接,弹簧应保持形变。

PCB设计要求

寄生电容的影响因素:走线长度>触摸电极周围铺地>走线离地间隔>过孔数>走线宽度

电路板厚度建议是0.5mm-1.6mm,如果板厚小于1mm,应减少反面铺地。

走线要求:

  • 走线长度不应超过300mm

  • 走线宽度(W)不应大于0.18mm(7mil)

  • 走线夹角(R)不应小于90°

  • 走线离地间隙(S)应在0.5mm-1mm

  • 触摸电极离地间隙应在1mm-2mm

  • 触摸电极直径(D)应在8mm-15mm

  • 走线不应与高频有干扰线并列使用

  • 触摸电极和走线应被栅格地围绕

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铺地处理

  • 使用栅格地是增强抗干扰能力并保证高灵敏度的折中选择

  • 触摸电极周围使用栅格地,背面无干扰不应铺地

  • 铺地应距离电极1mm

  • 栅格地通面积不超过总面积的40%,可以设置5mil线宽,50mil间距

  • 触摸电极与走线周围10mm范围内不应有实心地

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按键焊盘形状

  • 最佳形状是圆形,也可以是圆角的矩形焊盘。因为尖点会集中电磁场,应该避免。

  • 按键直径在8mm-15mm之间,典型值为12mm.如果覆盖层较厚,可以选用直径较大的电极

  • 两个按键相邻间距应保证5mm以上,避免互相影响

滑条/滚轮时设计

将多个触摸按键组合在一起即形成了滑条,配合软件可以检测手持滑动方向和位置,滑条可以是直线排列也可以是圆形排列。

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人的手指直径大约9mm,建议滑条宽度(W)为8mm,滑条间距0.5mm。手指在滑条划动时,相邻两个电极的变化相反,信号变强的电极是手指即将到达的位置,信号减弱的电极是手指即将离开的电极位置。所以相邻两个触摸电极距离不应过大,否则无法计算手指准确到达位置。

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参数最小值最大值建议值
宽度(W)4-8
高度(H)81512
间距(A)0.520.5
间栅格地距离(S)12覆盖层厚度

触摸弹簧设计

许多使用弹簧连接电极与覆盖层,选择弹簧时应注意:

  • 弹簧安装高度应大于5mm

  • 弹簧直径不应小于10mm

  • 弹簧灵敏度性能带金属片形>喇叭形>直筒形

  • 相邻弹簧按键距离不应小于10mm