電容式觸摸按鍵芯片介紹及原理

現(xiàn)階段，隨著電容式觸摸按鍵在外形美觀和使用壽命等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵，電容式觸摸按鍵的應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛，包括家電、消費(fèi)電子、工業(yè)控制和移動(dòng)設(shè)備等。本文就一種具體的電容式觸摸開關(guān)芯片SJT5104介紹一下電容式觸摸按鍵的基本工作原理和材料選擇。

先來看兩張圖感受一下，一張電容式觸摸按鍵的PCB版圖和一張生活中常見的電器觸摸圖片：

一、工作原理

任何兩個(gè)導(dǎo)電的物體之間都存在著感應(yīng)電容，一個(gè)按鍵即一個(gè)焊盤與大地也可構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電容，在周圍環(huán)境不變的情況下，該感應(yīng)電容值是固定不變的微小值。當(dāng)有人體手指靠近觸摸按鍵時(shí)，人體手指與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容并聯(lián)焊盤與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容，會(huì)使總感應(yīng)電容值增加。電容式觸摸按鍵IC在檢測(cè)到某個(gè)按鍵的感應(yīng)電容值發(fā)生改變后，將輸出某個(gè)按鍵被按下的確定信號(hào)。電容式觸摸按鍵因?yàn)闆]有機(jī)械構(gòu)造，所有的檢測(cè)都是電量的微小變化，所以對(duì)各種干擾會(huì)更加敏感，因此觸摸按鍵設(shè)計(jì)、觸摸面板的設(shè)計(jì)以及觸摸IC的選擇都十分關(guān)鍵。

二、觸摸PAD設(shè)計(jì)

1.   觸摸PAD材料

觸摸PAD可以用PCB銅箔、金屬片、平頂圓柱彈簧、導(dǎo)電棉、導(dǎo)電油墨、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電玻璃的ITO層等。不管使用什么材料，按鍵感應(yīng)盤必須緊密貼在面板上，中間不能有空氣間隙。當(dāng)用平頂圓柱彈簧時(shí)，觸摸線和彈簧連接處的PCB，鏤空鋪地的直徑應(yīng)該稍大于彈簧的直徑，保證彈簧即使被壓縮到PCB板上，也不會(huì)接觸到鋪地。

2.   觸摸PAD形狀

原則上可以做成任意形狀，中間可留孔或鏤空。作者推薦做成邊緣圓滑的形狀，可以避免尖端放電效應(yīng)。一般應(yīng)用圓形和正方形較常見。

3.   觸摸PAD面積大小

按鍵感應(yīng)盤面積大小：最小4mm×4mm，最大30mm×30mm。實(shí)際面積大小根據(jù)靈敏度的需求而定，面積大小和靈敏度成正比。一般來說，按鍵感應(yīng)盤的直徑要大于面板厚度的4倍，并且增大電極的尺寸，可以提高信噪比。各個(gè)感應(yīng)盤的形狀和面積應(yīng)該相同，以保證靈敏度一致。通常在絕大多數(shù)應(yīng)用里，12mm×12mm是個(gè)典型值。

4.   觸摸PAD之間距離

各個(gè)觸摸PAD間的距離要盡可能的大一些（大于5mm），這樣可以減少它們形成的電場(chǎng)之間的相互干擾。當(dāng)用PCB銅箔做觸摸PAD時(shí)，若觸摸PAD間距離較近（5mm～10mm），觸摸PAD必須用鋪地隔離。如果各個(gè)觸摸PAD距離較遠(yuǎn)，也應(yīng)該盡可能的鋪地隔離。適當(dāng)拉大各觸摸PAD間的距離，對(duì)提高觸摸靈敏度有一定幫助。

三、觸摸面板選擇

1.   觸摸面板材料

面板必須選用絕緣材料，可以是玻璃、聚苯乙烯、聚**乙烯（pvc）、尼龍、樹脂玻璃等，按鍵正上方1mm以內(nèi)不能有金屬，觸摸按鍵50mm以內(nèi)的金屬必須接地，否則金屬會(huì)影響案件的靈敏度。在生產(chǎn)過程中，要保持面板的材質(zhì)和厚度不變，面板的表面噴涂必須使用絕緣的涂料。

2.   觸摸面板厚度
通常面板厚度設(shè)置在0～10mm之間。不同的材料對(duì)應(yīng)著不同的典型厚度，例如亞克力材料一般設(shè)置在2mm～4mm之間，普通玻璃材料一般設(shè)置在3mm～6mm之間。

3.   雙面膠

觸摸按鍵PCB與觸摸面板通過雙面膠粘接，雙面膠的厚度取0.1～0.15mm比較合適，推薦采用3M468MP，其厚度0.13mm。要求PCB與面板之間沒有空氣，因?yàn)榭諝獾慕殡娤禂?shù)為1，與面板的介電系數(shù)差異較大。空氣會(huì)對(duì)觸摸按鍵的靈敏度影響很大。所以雙面膠與面板，雙面膠與PCB粘接，都是觸摸按鍵生產(chǎn)裝配中的關(guān)鍵工序，必須保證質(zhì)量。
PCB與雙面板粘接，PCB帶雙面膠與面板裝配時(shí)都要用定位夾具完成裝配，裝配完成后，要人工或用夾具壓緊。為了保證PCB板與面板之間沒有空氣，需要在雙面板上開孔和排氣槽，并且與PCB上開孔配合。設(shè)計(jì)夾緊夾具時(shí)，重點(diǎn)壓觸摸按鍵的部位，確保感應(yīng)部位沒有空氣。

四、觸摸IC選用

目前，世界知名電子元器件供應(yīng)商均加大了對(duì)電容式觸摸按鍵IC的應(yīng)用研究，并推出了眾多的專業(yè)芯片（本文簡(jiǎn)稱觸摸芯片），也有眾多基于MCU集成類的IC，設(shè)計(jì)人員選擇空間較大，可以根據(jù)功能的需求和芯片的性價(jià)比來選擇適合設(shè)計(jì)需要的IC，也可以自己設(shè)計(jì)基于MCU的A/D口實(shí)現(xiàn)觸摸IC。

五、EC022W觸摸IC介紹

1.基本介紹

EC022W是一顆低成本高可靠度的電容式觸摸感應(yīng)IC，用于 LED 燈光亮度調(diào)節(jié)及開關(guān)控制的單通道觸摸芯片。使用該芯片可以實(shí)現(xiàn)LED 燈光的觸摸開關(guān)控制和亮度調(diào)節(jié)。具有如下功能特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

①燈光亮度可根據(jù)需要隨意調(diào)節(jié)(觸摸無極調(diào)光和觸摸三段調(diào)光功能)，選擇范圍寬，操作簡(jiǎn)單方便。

②可在有介質(zhì)（如玻璃、亞克力、塑料、陶瓷等）隔離保護(hù)的情況下實(shí)現(xiàn)觸摸功能，安全性高。

③應(yīng)用電壓范圍寬，可在 2.4~5.5V 之間任意選擇。

④應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，外圍器件少，加工方便，成本低。

⑤抗電源干擾及手機(jī)干擾特性好。EFT 可以達(dá)到±2KV 以上；近距離、多角度手機(jī)干擾情況下，觸摸響應(yīng)靈敏度及可靠性不受影響。

2、不帶亮度記憶突明突暗的 LED 觸摸無級(jí)調(diào)光功能如下：

①初始上電時(shí)，燈為關(guān)滅狀態(tài)。

②點(diǎn)擊觸摸（觸摸持續(xù)時(shí)間小于 550ms）時(shí)，可實(shí)現(xiàn)燈光的亮滅控制。一次點(diǎn)擊觸摸，燈亮；再一次點(diǎn)擊觸摸，燈滅。如此循環(huán)。燈光點(diǎn)亮或關(guān)滅時(shí)，無亮度緩沖。且燈光點(diǎn)亮的初始亮度固定為全亮度的 50%。

③長(zhǎng)按觸摸（觸摸持續(xù)時(shí)間大于 550ms）時(shí)，可實(shí)現(xiàn)燈光無級(jí)亮度調(diào)節(jié)。一次長(zhǎng)按觸摸，燈光亮度逐漸增加，松開時(shí)燈光亮度停在松開時(shí)刻對(duì)應(yīng)的亮度，若長(zhǎng)按時(shí)間超過 3 秒鐘，則燈光亮度達(dá)到最大亮度后不再變化；再一次長(zhǎng)按觸摸，燈光亮度逐漸降低，松開時(shí)燈光亮度停在松開時(shí)刻對(duì)應(yīng)的亮度，若長(zhǎng)按時(shí)間超過 3 秒鐘，則燈光亮度達(dá)到最小亮度后不再變化。如此循環(huán)。

④點(diǎn)擊觸摸和長(zhǎng)按觸摸可以在任何時(shí)候隨意使用，相互之間功能不受干擾和限制。

不帶亮度記憶漸明漸暗的 LED 觸摸無級(jí)調(diào)光功能是在不帶亮度記憶突明突暗的 LED 觸摸無級(jí)調(diào)光功能的基礎(chǔ)上，在點(diǎn)擊觸摸開燈和關(guān)燈時(shí)，通過使燈光由一個(gè)較低亮度緩慢平滑過渡到開燈初始亮度，在點(diǎn)擊觸摸關(guān)燈時(shí)，使燈光由當(dāng)前亮度緩慢平滑降低直至關(guān)滅，從而達(dá)到亮度緩慢變化的視覺緩沖效果，起到保護(hù)眼睛和視力的效果。

帶亮度記憶漸明漸暗的 LED 觸摸無級(jí)調(diào)光功能是在不帶亮度記憶漸明漸暗的 LED 觸摸無級(jí)調(diào)光功能的基礎(chǔ)上增加了亮度記憶功能。即在 AC220V 電源不斷電的情況下，每次點(diǎn)擊觸摸關(guān)燈時(shí)的亮度會(huì)被記憶，下次點(diǎn)擊觸摸開燈時(shí)會(huì)以此亮度作為初始亮度。在 AC220V 電源掉電的情況下，重新上電后的第一次點(diǎn)擊觸摸開燈，初始亮度固定為全亮度的 50%。

LED 三段觸摸調(diào)光功能：

初始上電時(shí)，燈為關(guān)滅狀態(tài)。

每次點(diǎn)擊觸摸，燈光亮度按低亮度->中兩度->高亮度->滅依次循環(huán)變化。

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