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互电容和接近传感设计

接下来我们来介绍互电容。 「互电容」顾名思义,它是由两个 电极组成,一个是Tx,一个是Rx。 从Tx耦合到Rx。 当人手靠近的时候 改变是从Tx到Rx 之间耦合的这个电容。 那从Tx耦合到周围 到大力的电容的时候, 这其实在互电容的设计 系统来说就变成了寄生电容。 这个电极的大小呢, 一般也就是以适合的大小为准, 跟你的手指大小差不多。 它的形状也是可以有各种各样的。 通常呢我们会推荐使用方形的, 或者是有一些 菱角比较多的这种形状。 这是因为在这种些角落拐角的地方, 那互电容的这种电容 的形成会能达到最大。 大家看到右图, 上下有两个同样直径的... 一个是圆的圆形,一个是正方形。 它们两个形成电容是不一样的。 下面的那个形成电容会更大, 这是因为它的拐角更多。 在这些拐角形成的电容值会更大。 那这个Tx和Rx之间 的间距应该保持多少呢? 我们也推荐的是一半的面板厚度。 互电容的触摸按键电极形状, 通常我们会推荐方形的或者圆形的, 它的直径在十毫米左右。 我们在做layout的时候 一般是把Tx放在外面,Rx放在里面。 这样的话,它的耦合的空间 是从Tx耦合到...从外耦合到内。 这个Rx可以很好的被Tx保护起来, 这个时候Tx就相当于是 做了一个Shielding的作用。 那圆型的button的设计也是一样。 从layout来说,这个大家 从图上可以很容易看到, 这个没有什么难度了。 这里只是我们建议 Rx走线尽量走在底层, Tx走在表层。 那右下角的这个图是 画了一个双层的一个电极的设计。 那如果是单层的PCB的时候呢, 那可能我们就需要在Tx上开槽, 然后把Rx再走进去。 在互电容的设计中, 这个Rx和Tx的间距 是一个非常重要的参数。 从下面这两幅图上大家可以看出, 合适的间距可以让手 摸上去正好被系统检测出来。 那如果是右边这幅图, 由于Rx跟Tx靠得太紧, 它的耦合非常小。 这样的话当你的手靠近的时候, 对它的Rx跟Tx之间耦合 的这个电容改变的值太小, 系统就检测不到。 那么所以我们一般推荐Tx和Rx 的间距等于二分之一面板厚度。 你想如果把Tx和Rx再拉大, 比左下角这个图 再往外拉,会出来什么情况呢? 慢慢拉开的话, 确实它的灵敏度会越变越高, 它能检测距离会越来越长, 甚至于可以做接近传感。 但是如果你拉得太过于大的时候, 这个耦合场就会变得非常弱。 那如果超出一点距离那也 是无法感应到人手的接近的。 那互电容的好处, 这个大家也可以想像得到。 因为这其实就像我们 以前做传统的这个键盘一样。 因为它是矩阵形式的, 所以说我们可以使用 更少的通道来实现更多的按键。 这种设计特别是在需要 多按键比如遥控器或者是键盘 这种类似的应用上的时候。 用互电容来实现滑条和转轮。 同样,我们使用互电容 来设计滑条和转轮的时候 可以使用三个 或者四个通道来进行设计。 那右上角这个图, 这是一个四个电极的滑条。 大家可以看到 中间有四个Rx头尾相接, 然后最外面大家共用一个Tx。 而三个电极的转轮, 这个可能图会比较难看一些。 大家可以看到这个 Tx是在内圈和外圈, 中间的三个互相咬合 的锯齿状是三个不同的Rx。 在互电容的滑条和转轮的这些 电极侧的间距要保持多少呢? 通常我们还是建议一半的面板厚度。 在互电容的滑条 和转轮的设计的时候, 我们还会通过增加地 来提高抗噪声的能力。 大家可以看到右图我们在wheel中间 加了网格地或者是实心地。 同时我们还可以在 wheel的正中间再放一个按键, 中间通过一个地环来隔开。 右下角这个图是 在wheel中间增加LED。 这个是就比较 容易了,没有什么特别的。 我们再来讲一下互电容的走线。 互电容的走线有一个总的 最基本的原则就是尽量避免 发送端和接收端的 走线平行走在一起。 这是一个最重要的。从这条 最重要的规则衍生出来的就是: 我们可以把Rx走线走在一起, 再把Tx走线也走在一起, 但是把这两组走线尽量分开。 因为如果Rx跟 Tx走线靠在一起走得太近, 这个地方也就相当于是一个按键了。 所以如果是无法避免 Tx跟Rx走线要并排走线, 我们就推荐在中间 增加一个地线来隔开Rx和Tx。 另外一个就是Rx跟Tx 如果必须要交叉的话, 也和前面一样, 按照90度来做交叉。 在做不同层的 走线的时候我们要小心, Tx和Rx不要在 不同层之间进行平行走线。 有关通信线同样和自电容一样, 尽量避免走线和 这个信号线靠得太近, 尽量隔开。如果需要 交叉的话,请走90度交叉。 最后一个,铺地。 同样的,为了降低 这个寄生电容的产生, 我们希望地和Rx跟Tx的走线 保持一个大于二分之一面。 互电容。 有关互电容的铺地问题, 通常我们建议25%的地网格, 让它和这个电极,包括走线的 间距要大于二分之一面板厚度。 那针对一些需要过 EMC的这些案例呢, 我们推荐使用实心地。 电极之间的间距。 由于这个互电容 它的这个耦合主要是从Tx耦合到Rx, 而Tx又围在外面做为一个shielding, 所以呢,互电容的 按键跟自电容不一样, 它可以靠得比较近,所以它 更适合于做一些小的按键的面板。 唯一要注意的就是 如果做互电容的滑条的时候, 在这个滑条跟滑条之间 的间距不能靠得太近。 那我们建议要 超过一个手指的宽度, 这样的话我们才不会在 操作第一根滑条的时候 不小心会误触第二根滑条。 再接着下来, 我们来看这个接近传感。 接近传感也分成自电容跟互电容。 首先,自电容的接近传感器设计。 那接近传感通常大家都很好理解了, 主要是用来检测 一个需要检测一段距离 就能够有反应这么一个应用场景。 通常呢,这个... 我们会用自电容来做接近传感。 因为自电容它会有更高的这个 灵敏度,可以检测的距离会更远。 通常呢我们需要依靠增大 电极的面积来做接近传感。 增大电极的面积就相当于 会有更大的这个电容值, 那同时它也会增加 这个你测量的时间, 因为它的电容变大了, 它需要充电的时间变长了, 所以我们会增加测量 的时间和增加功耗。 接近传感器有一些什么样的应用呢? 那在我们的EVM上, 我们使用了一个红色的... 大家可以看到这个图, 这个红色的这一块就是 就是一个接近传感的sensor。 那这个电极比较大。 那它可以在整个 系统进入待机的时候, 它把这个电极可以设成 wake-on-proximity这个功能。 这个功能的意思就是说, 我们在系统进入待机的时候, 其他按键全部不扫描, 只扫这一个接近传感的sensor。 那这个时候呢因为只扫描一个... 几个按键, 可以做到系统的功耗最低。 那当然有人靠近这个板子的时候, 这个proximity sensor就会被触发, 那它就会唤醒系统。 我们再来看一个特殊的应用。 右上角这个图。 蓝色的就是电极, 周围有一些地。 那平常呢, 就是从电极耦合到地形成电容。 当人手靠近的时候, 改变了这个电容值, 所以系统能够检测到, 因为这个电极非常大。 所以它到地耦合的 这个空间也非常远, 所以比较远的手指它都能检测到。 那在第二幅图。 这个就是由于系统需要过 比较高的这个EMC的测试标准, 所以呢它没办法,加了很多地。 不管是在top层或者bottom层,特 别是在bottom层,也加了大片的地。 这个时候呢,从电极耦合到地, 这个E field就会被变得非常小。 这个时候呢同样的距离,手指放 在这,有可能系统就检测不到了。 但是系统又需要... 要检测这么远的距离,怎么办呢? 那这个时候我们可以使用 Driven shield。这个shield, 其实就是在这个 系统上再增加一个电极。 大家可以看到这个 蓝色的就是另外一个电源极。 它放在我们的这个 接近传感的sensor和地之间。 然后这个时候呢 把这个下面这个电极, shield这个电极和要做这个接近传感 的这个电极设在同一个扫描周期内, 这样的话它们可以同时扫描。 这个shield电极相当于 切断了我们的这个接近传感电极 到最底板的地层之间的耦合通路。 所以上面这个电极它又恢复了 这个正常的proximity的检测距离。 我们再来看一下这六幅图, 哪一个的感应距离最远? 第一个和第二个感应的距离最远。 为什么呢? 因为它们周围没有任何的地。 三和六的感应距离最近, 因为在电极的反面有铺地。 同时这个三是一个大面积的地。 大家还要注意到我们在表中 最后还有一个x方向的距离。 这个x距离是表示什么呢? 就是我们的测试版是平着放, 当人体从侧边靠近的时候, 它的距离是有多远? 那从这个列出来的也可以看到, 一图和二图它的感应 从侧边的感应距离也是最远的, 但是三图和六图 从侧边它就完全没有反应了。 因为我们从侧边来看, 它周围有很大的大圈的地, 就把侧边的信号都屏蔽掉了。 那我们有没有可能用 互电容来做接近传感呢? 答案是可以的。 大家从右图上可以看出来, 如果我们把正常的 一个触摸按键进行修改, 改成Rx非常小, 然后Rx跟Tx的间距拉得非常大。 这个时候呢, 它就相当于是一个接近传感了。 接近传感怎么来使用它呢? 我们还做过这样的右侧的这个板子。 这个绿黄色的这个部分, 它是一个Rx的电极。 红色的这些是所有的Tx的电极。 这样的话从Tx走或到Rx, 大家可以看到这个间距是非常远的。 这样的话就可以让这个 检测距离也变得很远, 通过这种方式来实现接近传感。

接下来我们来介绍互电容。

「互电容」顾名思义,它是由两个 电极组成,一个是Tx,一个是Rx。

从Tx耦合到Rx。 当人手靠近的时候

改变是从Tx到Rx 之间耦合的这个电容。

那从Tx耦合到周围 到大力的电容的时候,

这其实在互电容的设计 系统来说就变成了寄生电容。

这个电极的大小呢, 一般也就是以适合的大小为准,

跟你的手指大小差不多。

它的形状也是可以有各种各样的。

通常呢我们会推荐使用方形的,

或者是有一些 菱角比较多的这种形状。

这是因为在这种些角落拐角的地方,

那互电容的这种电容 的形成会能达到最大。

大家看到右图, 上下有两个同样直径的...

一个是圆的圆形,一个是正方形。

它们两个形成电容是不一样的。

下面的那个形成电容会更大,

这是因为它的拐角更多。

在这些拐角形成的电容值会更大。

那这个Tx和Rx之间 的间距应该保持多少呢?

我们也推荐的是一半的面板厚度。

互电容的触摸按键电极形状,

通常我们会推荐方形的或者圆形的,

它的直径在十毫米左右。

我们在做layout的时候 一般是把Tx放在外面,Rx放在里面。

这样的话,它的耦合的空间 是从Tx耦合到...从外耦合到内。

这个Rx可以很好的被Tx保护起来,

这个时候Tx就相当于是 做了一个Shielding的作用。

那圆型的button的设计也是一样。

从layout来说,这个大家 从图上可以很容易看到,

这个没有什么难度了。

这里只是我们建议 Rx走线尽量走在底层,

Tx走在表层。

那右下角的这个图是 画了一个双层的一个电极的设计。

那如果是单层的PCB的时候呢,

那可能我们就需要在Tx上开槽,

然后把Rx再走进去。 在互电容的设计中,

这个Rx和Tx的间距 是一个非常重要的参数。

从下面这两幅图上大家可以看出,

合适的间距可以让手 摸上去正好被系统检测出来。

那如果是右边这幅图, 由于Rx跟Tx靠得太紧,

它的耦合非常小。 这样的话当你的手靠近的时候,

对它的Rx跟Tx之间耦合 的这个电容改变的值太小,

系统就检测不到。

那么所以我们一般推荐Tx和Rx 的间距等于二分之一面板厚度。

你想如果把Tx和Rx再拉大,

比左下角这个图 再往外拉,会出来什么情况呢?

慢慢拉开的话, 确实它的灵敏度会越变越高,

它能检测距离会越来越长,

甚至于可以做接近传感。

但是如果你拉得太过于大的时候,

这个耦合场就会变得非常弱。

那如果超出一点距离那也 是无法感应到人手的接近的。

那互电容的好处, 这个大家也可以想像得到。

因为这其实就像我们 以前做传统的这个键盘一样。

因为它是矩阵形式的,

所以说我们可以使用 更少的通道来实现更多的按键。

这种设计特别是在需要 多按键比如遥控器或者是键盘

这种类似的应用上的时候。

用互电容来实现滑条和转轮。

同样,我们使用互电容 来设计滑条和转轮的时候

可以使用三个 或者四个通道来进行设计。

那右上角这个图, 这是一个四个电极的滑条。

大家可以看到 中间有四个Rx头尾相接,

然后最外面大家共用一个Tx。

而三个电极的转轮, 这个可能图会比较难看一些。

大家可以看到这个 Tx是在内圈和外圈,

中间的三个互相咬合 的锯齿状是三个不同的Rx。

在互电容的滑条和转轮的这些

电极侧的间距要保持多少呢?

通常我们还是建议一半的面板厚度。

在互电容的滑条 和转轮的设计的时候,

我们还会通过增加地 来提高抗噪声的能力。

大家可以看到右图我们在wheel中间

加了网格地或者是实心地。

同时我们还可以在 wheel的正中间再放一个按键,

中间通过一个地环来隔开。

右下角这个图是 在wheel中间增加LED。

这个是就比较 容易了,没有什么特别的。

我们再来讲一下互电容的走线。

互电容的走线有一个总的 最基本的原则就是尽量避免

发送端和接收端的 走线平行走在一起。

这是一个最重要的。从这条 最重要的规则衍生出来的就是:

我们可以把Rx走线走在一起,

再把Tx走线也走在一起,

但是把这两组走线尽量分开。

因为如果Rx跟 Tx走线靠在一起走得太近,

这个地方也就相当于是一个按键了。

所以如果是无法避免 Tx跟Rx走线要并排走线,

我们就推荐在中间 增加一个地线来隔开Rx和Tx。

另外一个就是Rx跟Tx 如果必须要交叉的话,

也和前面一样, 按照90度来做交叉。

在做不同层的 走线的时候我们要小心,

Tx和Rx不要在 不同层之间进行平行走线。

有关通信线同样和自电容一样,

尽量避免走线和 这个信号线靠得太近,

尽量隔开。如果需要 交叉的话,请走90度交叉。

最后一个,铺地。

同样的,为了降低 这个寄生电容的产生,

我们希望地和Rx跟Tx的走线

保持一个大于二分之一面。

互电容。 有关互电容的铺地问题,

通常我们建议25%的地网格,

让它和这个电极,包括走线的 间距要大于二分之一面板厚度。

那针对一些需要过 EMC的这些案例呢,

我们推荐使用实心地。

电极之间的间距。 由于这个互电容

它的这个耦合主要是从Tx耦合到Rx,

而Tx又围在外面做为一个shielding,

所以呢,互电容的 按键跟自电容不一样,

它可以靠得比较近,所以它 更适合于做一些小的按键的面板。

唯一要注意的就是 如果做互电容的滑条的时候,

在这个滑条跟滑条之间 的间距不能靠得太近。

那我们建议要 超过一个手指的宽度,

这样的话我们才不会在 操作第一根滑条的时候

不小心会误触第二根滑条。

再接着下来, 我们来看这个接近传感。

接近传感也分成自电容跟互电容。

首先,自电容的接近传感器设计。

那接近传感通常大家都很好理解了,

主要是用来检测 一个需要检测一段距离

就能够有反应这么一个应用场景。

通常呢,这个...

我们会用自电容来做接近传感。

因为自电容它会有更高的这个 灵敏度,可以检测的距离会更远。

通常呢我们需要依靠增大 电极的面积来做接近传感。

增大电极的面积就相当于 会有更大的这个电容值,

那同时它也会增加 这个你测量的时间,

因为它的电容变大了, 它需要充电的时间变长了,

所以我们会增加测量 的时间和增加功耗。

接近传感器有一些什么样的应用呢?

那在我们的EVM上, 我们使用了一个红色的...

大家可以看到这个图, 这个红色的这一块就是

就是一个接近传感的sensor。

那这个电极比较大。

那它可以在整个 系统进入待机的时候,

它把这个电极可以设成 wake-on-proximity这个功能。

这个功能的意思就是说, 我们在系统进入待机的时候,

其他按键全部不扫描, 只扫这一个接近传感的sensor。

那这个时候呢因为只扫描一个...

几个按键, 可以做到系统的功耗最低。

那当然有人靠近这个板子的时候,

这个proximity sensor就会被触发,

那它就会唤醒系统。

我们再来看一个特殊的应用。

右上角这个图。 蓝色的就是电极,

周围有一些地。

那平常呢, 就是从电极耦合到地形成电容。

当人手靠近的时候, 改变了这个电容值,

所以系统能够检测到, 因为这个电极非常大。

所以它到地耦合的 这个空间也非常远,

所以比较远的手指它都能检测到。

那在第二幅图。

这个就是由于系统需要过

比较高的这个EMC的测试标准,

所以呢它没办法,加了很多地。

不管是在top层或者bottom层,特 别是在bottom层,也加了大片的地。

这个时候呢,从电极耦合到地,

这个E field就会被变得非常小。

这个时候呢同样的距离,手指放 在这,有可能系统就检测不到了。

但是系统又需要...

要检测这么远的距离,怎么办呢?

那这个时候我们可以使用 Driven shield。这个shield,

其实就是在这个 系统上再增加一个电极。

大家可以看到这个 蓝色的就是另外一个电源极。

它放在我们的这个 接近传感的sensor和地之间。

然后这个时候呢 把这个下面这个电极,

shield这个电极和要做这个接近传感 的这个电极设在同一个扫描周期内,

这样的话它们可以同时扫描。

这个shield电极相当于 切断了我们的这个接近传感电极

到最底板的地层之间的耦合通路。

所以上面这个电极它又恢复了 这个正常的proximity的检测距离。

我们再来看一下这六幅图, 哪一个的感应距离最远?

第一个和第二个感应的距离最远。

为什么呢? 因为它们周围没有任何的地。

三和六的感应距离最近, 因为在电极的反面有铺地。

同时这个三是一个大面积的地。

大家还要注意到我们在表中 最后还有一个x方向的距离。

这个x距离是表示什么呢?

就是我们的测试版是平着放,

当人体从侧边靠近的时候,

它的距离是有多远?

那从这个列出来的也可以看到,

一图和二图它的感应 从侧边的感应距离也是最远的,

但是三图和六图 从侧边它就完全没有反应了。

因为我们从侧边来看,

它周围有很大的大圈的地,

就把侧边的信号都屏蔽掉了。

那我们有没有可能用 互电容来做接近传感呢?

答案是可以的。 大家从右图上可以看出来,

如果我们把正常的 一个触摸按键进行修改,

改成Rx非常小,

然后Rx跟Tx的间距拉得非常大。

这个时候呢,

它就相当于是一个接近传感了。

接近传感怎么来使用它呢?

我们还做过这样的右侧的这个板子。

这个绿黄色的这个部分,

它是一个Rx的电极。

红色的这些是所有的Tx的电极。

这样的话从Tx走或到Rx,

大家可以看到这个间距是非常远的。

这样的话就可以让这个 检测距离也变得很远,

通过这种方式来实现接近传感。

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互电容和接近传感设计

所属课程:CapTIvate™技术硬件设计和抗噪声干扰设计快速指南 发布时间:2016.11.10 视频集数:4 本节视频时长:14:05
CapTIvateTM 技术是TI 推出的高性能低功耗电容触摸方案,包含电容式触摸测量技术、CapTIvateTM Design Center设计平台、电容触摸软件库以及电容触摸硬件开发平台。本课程介绍如何使用CapTIvateTM 技术进行电容触摸方案硬件设计以及抗噪声干扰设计。
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