基于電容式觸摸按鍵防潮設(shè)計研究

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)輸入信號的檢測和處理。電容式觸摸按鍵通過檢測物體與電極之間的電容變化來實(shí)現(xiàn)輸入信號的檢測。它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長等優(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、汽車控制面板等場景。電容式觸摸按鍵由于可以實(shí)現(xiàn)一體化平面設(shè)計，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)用場景對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)用場景，根據(jù)用戶的使用習(xí)慣，改善觸摸方案的硬件設(shè)計，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)一個手指接近時，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。

自電容測量法的測量物體（圖中的手指）接近觸摸電極時電容的增加值。

1.2 互電容法

如圖2 在互電容法中，測量一對電極、發(fā)送電極TX 和接收電極RX 之間產(chǎn)生的靜電電容。當(dāng)一個手指接近電極時，一部分電磁場移動到人體，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，可以檢測到人體的接近。

圖2 互電容法的觸摸檢測原理

圖3 水附著于一個電極時的測量數(shù)據(jù)

互電容測量法測量一對電極（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，感應(yīng)器測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。

2.1 自容式觸觸摸按鍵潮態(tài)場景

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

2）水附著于多個電極，附著于多個電極上的水在自電容檢測時會導(dǎo)致觸摸誤檢測發(fā)生，在自電容檢測中，附著于多個電極上的水會在電極間產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致檢測電容值增加。自電容檢測依據(jù)檢測到的電容值的增加情況來判斷觸摸/非觸摸狀態(tài)，因此會導(dǎo)致觸摸誤檢測發(fā)生。

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

圖4 水附著于多個電極時的測量數(shù)據(jù)（自電容）

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

如圖6 所示，當(dāng)接地到 GND 的水附著于電極時，電極和水之間產(chǎn)生的電容導(dǎo)致電容增加。同時，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，在互電容檢測中，接地到 GND 的水附著于電極時會導(dǎo)致觸摸誤檢測發(fā)生（當(dāng)人觸摸電極導(dǎo)致電極接地到 GND 時也是如此）。

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，因此互容測量值減小，觸摸誤檢測發(fā)生。圖6 顯示了當(dāng)水附著于多個電極且其中一個電極接地到GND 時的互電容測量數(shù)據(jù)。

3 電容式觸控按鍵耐水性設(shè)計

3.1 自電容式觸摸按鍵耐水性硬件設(shè)計處理

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。

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

3.2 自電容耐水性軟件設(shè)計處理

圖7 是耐水性軟件處理流程圖，不同品牌方案對應(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到一個或多個觸摸按鍵因受潮態(tài)影響產(chǎn)生電容增大時，觸摸軟件及時更新校準(zhǔn)基準(zhǔn)，保證觸摸按鍵及時響應(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 個按鍵，采用自容式觸摸按鍵設(shè)計方案，以線控器軟件防潮處理為例說明軟件設(shè)計邏輯。

圖8 線控器觸摸按鍵界面

當(dāng)水汽覆蓋按鍵后背認(rèn)為被識別為多個按鍵被同時按下，如果此時不處理，觸摸按鍵時就會表現(xiàn)為觸摸按鍵失效，觸摸按鍵不響應(yīng)，這種場景在實(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)。

針對高濕環(huán)境下使用觸摸按鍵，多按鍵按下的時候如果沒有更新基線，就會出現(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)用層上對基線鎖定:

1）基線鎖定，干擾產(chǎn)生信號未達(dá)到閾值，程序判定后延時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，極個別按鍵遲鈍信號減小不靈敏的情況。

2）對于基線鎖定達(dá)到閾值產(chǎn)生觸摸輸出的情況，對于我們規(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）對于基線鎖定后的長按鍵除了 up 、down、ok 的其他單個長按鍵做了3 s 后的清除和基線復(fù)位。對于 up、down、ok 三個中的單個長按鍵涉及到用戶操作，做了60 s 的長按限制，誤觸發(fā)后，超過此時間清除按鍵信號復(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

4.1 互電容耐水性硬件設(shè)計處理

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

1）增大電極間距，所有對于耐水性能要求較高的產(chǎn)品，必須確保各個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（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。對于在測量中不使用的電極，發(fā)送電極Tx 引線輸出低電平。對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。

4.2 互電容耐水性軟件設(shè)計處理

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)電極檢測到一個或多個觸摸按鍵因受潮態(tài)影響產(chǎn)生互電容減小時，觸摸軟件及時更新校準(zhǔn)基準(zhǔn)，保證觸摸及時響應(yīng)。這里不在重復(fù)闡述。

5 結(jié)論

電容式觸摸按鍵針對耐水性問題可以通過硬件設(shè)計調(diào)整，有針對性完善不同場景下軟件處理邏輯，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)兩個維度去完善電容式觸控鍵設(shè)計方案。

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得到更廣泛的應(yīng)用。