传感器在手机上的应用资料

1、4 X A fQINGDAO UNIVERSITY传感器原理及应用课程考核论文题目电容式感测技术在手机触摸屏上的应用班级电子信息科学与技术1班学 号 201140600147姓 名陈万鑫、刘恒源、蒋兴瑞扌旨导老师 迟宗涛自动化工程学院电子信息科学与技术系二零一四年十二月电容式感测技术在手机触摸屏中的应用摘要：随着传感器不断的发展与成熟，电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，在农业、工业等领域的发展作出突出贡献。电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术，日益受到人们的重视。特别是智能手机等新型消费电子产品应用了电容传感器的触摸 屏的风靡，不仅提供方便的控制方式，而且带来了更好的用户体

2、验。引言：电容传感技术投入应用已长达一个世纪，它具有结构简单、动态响应快、 易实现非接触测量等突出的优点，具有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、 农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多 新兴领域体现其优越性。电容式感测用户界面正作为手机中机械按键的一种实用的创新替代方案脱颖而出。虽然电容式传感器可被视作传统按键的简易替代方案， 但该技术不仅仅 是半球型开关的一种升级。当手机采用触摸式传感器来实现时，手机制造商在设 计中可获得一种令人激动的崭新的外观感觉选择。利用电容式传感器，手机按键，即键垫（key mat），无需移动式元件就可 以实现，这样会形成平顺光滑的接

3、触表面。此外，设计人员还可在机械按键顶端 选用电容式感测，轻按会触发电容式传感器，重按则激活机械开关。整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感测到手指对按键施加 压力的轻重。轻按可能与 号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打近年来手机设计中出现的最引人注目的趋势之一是电容式传感器和透明导 体的结合。这种透明键垫为设计人员提供了许多具创造性的选择。工作原理大多数触摸传感控制器依据所检测到的电容变化来工作一一当某种物体或 某个人接近或触摸传感器的导电金属片时，手指与金属片之间的电容发生变化。 导电物体（如手指）在传感器附近移动将改变电容传感器的电场线并使电容发生 变化，并通过控制电路测

4、出电容的变化。电容式感测技术的方式(1) 手指电容：所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作 用的导体。在皮肤下面，人体组织中充满了传导 电解质(一种有损电介质)。正 是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。简单的平行板电容器具有两个导体，其间隔着一层电介质。该系统中的大部 分能量分布在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间， 而由 这些泄露能量所形成的电场被称为“边缘场”。制作实用电容式传感器的部分难 题在于：需要设计一组印制导线，将上述的边缘场引导到用户易接近的有效感应 区域中。显然，对于这种传感器模式来说，平行板电容器并非上佳之选。把手指放在边缘电场的

5、附近将增加电容式传感系统的导电表面积。由手指所产生的额外电荷存储容量就是已知的手指电容CF。无手指触摸时的传感器电容用CP来表示。在本文中，它代表寄生电容。关于电容式传感器的一个常见的误解是：为了使系统正常工作，手指必须接 地。实际上，手指被传感的原因在于它带有电荷，而这与其是否悬空或接地完全 无关。1 °書酬tn 鱼k甲斗n图：手机电容传感器的机械层叠截面图系统设计中，机械层叠是一个重要考虑因素，因为手机的外壳日趋纤薄。事实上，传感器线迹布局不佳和覆盖膜材料厚度过大是手机SNR偏低的主要原因 电路板一般是柔性电路，在某些情况下，也有可能是一种很薄的刚性板。 电路板 通过绝缘粘合膜的

6、薄层被安装在覆盖膜上， 从而提高了从传感器到覆盖膜的电场 耦合。该粘合层还形成了一个能够对手指轻压和重压都稳定响应的机械系统。1-3mm的覆盖膜厚度是比较理想的，这样可在不过度削弱电容式感测信号的情况 下为手机提供所需的封装机械强度。（2）透明电容：手机中触摸感测的最新趋势是在玻璃或塑料膜上使用氧化 铟锡（ITO）。ITO是一种导电材料，作为薄膜运用时是透明的。这种材料已在电 阻式触摸屏中使用多年。现在，微控制器的最新发展成果又使电容式触摸屏成为 可能。电阻式触摸屏由于依赖触摸表面的机械变形，故很容易损坏，需要更换。 而电容式ITO触摸屏不需要机械变形来实现。电容式ITO触摸屏超越标准电阻式

7、触摸屏的优点之一就是摒弃了这种易发生故障的机械模式。（3）指纹识别：电容式传感器，也被称为第二代指纹识别，是目前指纹识别 最常用的一种。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因 此非常适合在消费类电子产品中使用。下图为指纹经过处理后的成像图：指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成 了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体 之间的距离不同而变化。整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感 测到手指对按键施加压力的轻重。轻按可能与号码簿翻页有关，重

8、按则可能是往选定号码拨打。手指按压触屏感应的示意图1It电證注n寓场4于屋粗亚血抽华®体壬殉）權龙&啣暨盼毂手指按压触屏感应的示意图2 电容式传感器的接口电路和检测方法(1) 模拟技术：模拟技术是测量频率或工作周期，这些量因为在手指和地之 间引入额外的电容而发生变化。” &加mW图2：模拟触摸方案；由于需使用参考地，可能会受到水滴的影响。利用这种技术和高分辨率的模数转换器(ADC，可以把测到的模拟电压转 换成数字代码。得益于混合信号技术的进步，最新款电容 /数字转换器可把高性 能模拟前端与低功率高性能ADC集成在一起。模拟接口电路的一个缺点是电容传感器可能会受到难以捉

9、摸的噪声、串扰、 耦合的影响。另外，传感器输出的动态范围受到电源电压的限制，而随着半导体 制造技工艺节点的缩小该电源电压在不断降低。（2）全数字传感方法：全数字传感方法可避免与模拟方法有关的问题。数字方法通过使电容成为RC 延时线的一部分来检测传感器电容的变化图3:数字触摸方案；在存在水滴时仍具有很棒的性能。图3中简单的全数字型时间/数字转换器（TDC测量该延时线相对于基准 RC延时线的差并输出阻抗的变化。寄生电容对RC延时的影响可通过加电补消除。手指碰到传感器垫片使电容增大进而提高了 RC延时时间并导致阻抗变化。把这个阻抗与校准阻抗对比可确定是否发生了触摸事件。该传感方案很容易通过 调整RC

10、延时线的电阻来改善性能。电容感测技术在其他方面的应用（1）相对于传统机械按钮、滑块、转轮和开关，电容感测技术控制提供了 灵活、可靠且高性价比的替代方案。最新的应用其技术的触摸传感器为设计者发挥其创造性创造了条件， 设计者 在开发接口时可隐藏或露出按钮、 或采用其他形态触摸板的模式。下面的图和表 格显示了不同的传感器形状和应用。图4:滑块、滚轮、触摸按钮和临近传感应用的例子卅用FX1U斑出嘲世倒上 酬用淞視Ifa" 接盘眸潼菊虫竣IL翼手柠沿臬吓蛊克的 育才运味関于HBK9時黜严T萨側蚯MP3 欄0、iSfifiKTii 握制兰饕芳和英鱼私矗罔烛蛙邸妇綁扑 坐斗&吋！L叮易盍粧

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12、件。(3) 临近触摸技术是电容感测技术的另一种应用。临近触摸控制对只有一或两个按钮的简单接口提供了一种有吸引力的替代方案。临近传感器易于整合进最终的产品设计中，并具有功耗低和寿命长等长期优势。金属门把手是一种理想的临近传感器应用。 极为敏感的传感器可以检测到是 否有手在接近门把手，系统在检测到接近行为后会给需要大功率的安防硬件通 电。作为汽车报警系统的一部分，系统可把每次临近检测记录下来并通知车主（或 许可通过手机）有人多次试图拉开车门。当金属物体面积为10mm2覆膜厚度为1mm寸，临近传感器可以在距离大于 2英寸时检测到手的接近。除了门把手之外，临近触摸还可用于家用电器、MP3播放器、遥控器

13、和移动。传感器的发展前景电容式传感器有着巨大的应用前景， 被认为是将对21世纪产生巨大影响力 的技术之一，该技术的进步使传感器驱动型接口更易于实现， 对终端用户更为直 观和简单,灵敏度更高和使用体验更好的电容性触摸屏将压倒今天主流的电阻性 触摸屏成为未来手机和其它便携式设备市场的应用大趋势，尽管今天电阻性触摸 屏解决方案比较便宜，但它无法像电容性触摸屏那样提供流畅的手指滑动响应性 能。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监 测等等。1、微型化为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技 术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等） 的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程， 因此还要求传感器必须配有标准的输出模式； 而传统的大体积弱功能传感器往往 很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取 代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本 低等优点。2、智能化随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展， 所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。由