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1、触屏传感技术对手机控制系统的设计摘要在现今的手机传感器系统里正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。手机里的传感器在我们的触屏技术中得到了很多的应用也把触屏传感技术在手机里的控制提高了一个空前的高度。 本篇论文是通过讲述手机里的一些传感器在手机控制系统中的应用，阐述了触屏传感技术对手机控制系统的设计。在触屏传感技术中本篇主要论述了电容式触屏传感技术对手机系统的设计，分析电容式感测技术在手机触摸屏中的应用，以电容式的电感式位移传感器的设计和电容式的振动传感器的设计说明了电容式触屏传感技术对手机控制的重要性。再通过对霍尔传感器在电容式手机中应用，对光线传感器、接近传感器、加速传感器和三
2、轴陀螺仪在手机中的应用分析得出电容式触屏传感技术必将进一步得到社会各界的普遍关注。摘要11、绪论3第一章、触屏传感技术的种类41、红外线式触摸屏42、电容式触摸屏43、电阻式触摸屏44、表面声波触摸屏5第二章、各种触屏的优缺点61、红外线式触摸屏的优缺点62、电容式触摸屏的优缺点73、表面声波式触摸屏的优缺点84、电阻式触摸屏优缺点8第三章、电容式感测技术在手机触摸屏中的应用11第四章、电容式手机里的传感设计154.1投射式电容触摸屏154.2主板电路图161.主板电路图164.3电容式感测技术在手机触摸屏中的应用174.3-1电容式感测技术的方式184.3-2电容式传感器的接口电路和检测方法
3、194.3-3电容感测技术在其他方面的应用214.4手机电容式的电感式位移传感器的设计224.4-1传感器的作用224.4-2电容式的电感式位移传感器设计的总体模块234.4-3各模块的设计电路234.5手机电容式的振动传感器的设计264.5-1电容式振动传感器的工作基础264.5-2敏感元件的等效电学模拟304.6触摸传感器在电容触摸屏中的设计314.6-1电容式触摸屏电路详解314.6-2电容式触摸屏314.6-3电容式触摸屏的特性324.6-4手机触摸屏故障分析334.7电容式触屏中各传感器的关系334.7-1摄像头触感与电容式触屏的连接334.7-2电容式触屏里的加速传感器和接近传感器
4、设计344.7-3手机导向电子指南针电路364.7-4手机触屏的接近传感器设计374.7-5手机中的三轴陀螺仪38结束语40致谢41参考文献：421、绪论 手机传感技术分为键盘输入和触屏输入，触屏手机是指利用触摸屏的技术将该技术应用到手机屏幕上面的一种手机类型。触屏手机和其他的手机分类没有明显的界限。 为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替键盘工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主
5、要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。触屏手机最大的特点在于它那超大的屏幕，可以使用者带来视觉的享受，无论从文字还是图像方面都体现出大屏幕的特色。但是由于屏幕大，体积也就比较大，对于携带触屏手机占用的空间也大了。同时触屏手机可以用手指操纵，完美的替代键盘。而它所采用的传感方式有红外线、电容式、电阻技术和表面声波四种方式此论文主要论述触屏传感技术对手机的控制，突出传感技术对手机控制的工具性作用和使用良好性地位，讲述了现今使用的四种触摸方式的原理作用和对手机的控制重点讲述了触屏传感技术中的电容式传感。未来触屏传感控制为多
6、点触摸技术，它进一步提升了触摸屏可靠的可用性，能满足多种特性丰富的应用需求使触屏传感的实用性得到了更好的发展。第一章、触屏传感技术的种类1、红外线式触摸屏红外线触摸屏原理很简单，只是在显示器上加上光点距架框，无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，计算机便可即时算出触摸点位置红外触摸屏不受电流电压和静电干扰，适宜某些恶劣的环境条件其主要优点是价格低廉安装方便不需要卡或其它任何控制器，可以用在各档次的计算机上不过，由于只是在普通屏幕增加了框架，在使用过程中架框四周的红外线
7、发射管及接收管很容易损坏，且分辨率较低 2、电容式触摸屏电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器 电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场用户触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体 层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置
8、 3、电阻式触摸屏触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（OTI，氧化铟），上面再盖有一层外表面硬化处理光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层OTI，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开绝缘当手指接触屏幕，两层OTI导电层出现一个接触点，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是电阻技术触摸屏共同的最基本原理电阻屏根据引出线数多少，分为四线
9、五线等多线电阻触摸屏五线电阻触摸屏的A面是导电玻璃而不是导电涂覆层，导电玻璃的工艺使其的寿命得到极大的提高，并且可以提高透光率。电阻式触摸屏的OTI涂层比较薄且容易脆断，涂得太厚又会降低透光且形成内反射降低清晰度，OTI外虽多加了一层薄塑料保护层，但依然容易被锐利物件所破坏；且由于经常被触动，表层OTI使用一定时间后会出现细小裂纹，甚至变型，如其中一点的外层OTI受破坏而断裂，便失去作为导电体的作用，触摸屏的寿命并不长久但电阻式触摸屏不受尘埃水污物影响 4、表面声波触摸屏表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRTLEDLCD或是等离子显示器屏幕的前面这块玻璃平
10、板只是一块纯粹的强化玻璃，区别于其它触摸屏技术是没有任何贴膜和覆盖层玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器玻璃屏的四个周边则刻有45角由疏到密间隔非常精密的反射条纹， 发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X-轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量
11、的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐标，控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标之后Y轴同样的过程判定出触摸点的Y坐标除了一般触摸屏都能响应的XY坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机 表面声波触摸屏不受温度湿度等环境因素影响，分辨率极高，有极好的防刮性，寿命长（5000万次无故障）；透光率高（92%），能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，最适合公共场所使用但表面感应系统的
12、感应转换器在长时间运作下，会因声能所产生的压力而受到损坏一般羊毛或皮革手套都会接收部分声波，对感应的准确度也受一定的影响屏幕表面或接触屏幕的手指如沾有水渍油渍污物或尘埃，也会影响其性能，甚至令系统停止运作。第二章、各种触屏的优缺点1、红外线式触摸屏的优缺点 优点是红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜某些恶劣的环境条件。其主要优点是价格低廉、安装方便、不需要卡或其它任何控制器。红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡
13、住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。早期观念上，红外触摸屏存在分辨率低、触摸方式受限制和易受环境干扰而误动作等技术上的局限，因而一度淡出过市场。此后第二代红外屏部分解决了抗光干扰的问题，第三代和第四代在提升分辨率和稳定性能上亦有所改进，但都没有在关键指标或综合性能上有质的飞跃。但是，了解触摸屏技术的人都知道，红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势。采用声学和其它材料学技术的触屏都有其难以逾越的屏障，如单一传感器的受损、老化，触摸界面怕受污染、破坏性使用，维护繁杂
14、等等问题。过去的红外触摸屏的分辨率由框架中的红外对管数目决定，因此分辨率较低，市场上主要国内产品为32x32、40X32，另外还有说红外屏对光照环境因素比较敏感，在光照变化较大时会误判甚至死机。这些正是国外非红外触摸屏的国内代理商销售宣传的红外屏的弱点。而最新的技术第五代红外屏的分辨率取决于红外对管数目、扫描频率以及差值算法，分辨率已经达到了1000X720，至于说红外屏在光照条件下不稳定，从第二代红外触摸屏开始，就已经较好的克服了抗光干扰这个弱点。 第五代红外线触摸屏是全新一代的智能技术产品，它实现了1000*720高分辨率、多层次自调节和自恢复的硬件适应能力和高度智能化的判别识别，可长时间
15、在各种恶劣环境下任意使用。并且可针对用户定制扩充功能，如网络控制、声感应、人体接近感应、用户软件加密保护、红外数据传输等。红外触摸屏的缺点就是没有电容充放电过程，响应速度比电容式快，但分辨率较低另外一个主要缺点是抗暴性差。2、电容式触摸屏的优缺点 当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指吸收走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置信息。电容触屏的使用更加方便，对于屏幕你需要用的是生物体（手指肉），而非手指甲大力按压，这
16、样屏幕上就不会留下难看的刮花痕迹，而且反应灵敏能够轴坐标式感应单元矩阵轴坐标式感应单元分立的行和列以两个交叉的滑条实现检测每一格感应单元的电容变化。并且电容屏是触屏手机的一个趋势，它颜色鲜艳，而且较省电，目前的中高端手机都会用到电容屏。而且由于电容屏的特性，使手机屏幕具有多点触控功能，增加了手机的可操控性，提升了手机的使用价值。电容式触摸屏的结构主要分为三类单层ITO、单面双层ITO、双面单层ITO，但是它们各自的性能也不同单层ITO优点：成本低透过率高、缺点：抗干扰能力差，单面双层ITO优点：性能好良率高、缺点：成本较高，双面单层ITO优点：性能好抗静电能力强，缺点：抗干扰能力差。 目前的中
17、高端手机都会用到电容屏如：苹果、三星、魅族等等电阻式触摸屏的优缺点 电阻式触摸屏包含上下叠合的两个透明层，四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成，五线和七线触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成，通常还要用一种弹性材料来将两层隔开。当触摸屏表面受到的压力(如通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压，当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触
18、摸点到接地边之间的距离成正比。电阻式触摸屏的优点是它的屏和控制系统都比较便宜，反应灵敏度也很好，而且不管是四线电阻触摸屏还是五线电阻触摸屏,它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，能适应各种恶劣的环境。它可以用任何物体来触摸,稳定性能较好。缺点是电阻触摸屏的外层薄膜容易被划伤导致触摸屏不可用，多层结构会导致很大的光损失，对于手持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题，但这样也会增加电池的消耗。3、表面声波式触摸屏的优缺点 表面声波触摸屏是利用声波可以在刚体表面传播的特性设计而成。以X轴为例，控制电路产生发射信号（电信号），该电信号经玻璃屏上的X轴发射换能器转换成厚度方向振动
19、的超声波，超声波经换能器下的楔形座折射产生沿玻璃表面传播的分量。超声波在前进途中遇到45度倾斜的反射线后产生反射，产生和入射波成90度、和Y轴平行的分量，该分量传至玻璃屏X方向的另一边也遇到45度倾斜的反射线，经反射后沿和发射方向相反的方向传至X轴接收换能器。X轴接收换能器将回收到的声波转换成电信号。控制电路对该电信号进行处理得到表征玻璃屏声波能量分布的波形。有触摸时，手指会吸收部分声波能量，回收到的信号会产生衰减，程序分析衰减情况可以判断出X方向上的触摸点坐标。同理可以判断出Y轴方向上的坐标，X、Y两个方向的坐标一确定，触摸点自然就被唯一地确定下来。它的优势主要有1）光学性能最好清晰度和透光
20、率最高，反光最少，无色彩失真；2、防刮擦、抗野蛮使用。声波屏表面即使划伤，只要不是很深，一样正常工作；3、不怕电磁干忧，无漂移。声波是机械振动，不受电磁信号影响；4、分辨率高；5、使用寿命长。缺点主要是受灰尘和水滴、油污等影响，需要定期清洁反射阵列。但就这一缺点在手机中的应用影响是很大的这也是表面声波触摸屏在手机中应用很少的原因。 4、电阻式触摸屏优缺点电阻式触摸屏包含上下叠合的两个透明层，四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成，五线和七线触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成，通常还要用一种弹性材料来将两层隔开。触摸屏的结构如图所示。触摸屏的结构当电阻式触摸屏表面受到的压力(如
21、通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。如图3，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻(R1)连接正参考电压(VREF)，下面的电阻(R2)接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。触摸屏的分压原理为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置：将它的一边接VREF，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接
22、地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。电阻式触摸屏是覆盖在LCD上面一层玻璃结构的透明的材料，它与LCD是可以分离的，可以单独进行更换，有些手机的触摸屏和LCD做在一起，如果触摸屏损坏的时候只能一起更换。部分手机会在触摸屏上面加一个屏幕面板，用来保护触摸屏和LCD。触摸屏的外形结构如图所示。电阻式触摸屏外形结构在手机中使用电阻式触摸屏几乎全部都是四线触摸屏。四线触摸屏包含两个阻性层。其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线，如图所示。触摸屏管理芯片触摸屏四线电阻式触摸屏工作原理在触摸屏
23、幕后，起到电压计作用的触摸管理芯片首先在X+点上施加电压梯度VDD，在X-点上施加接地电压GND。然后，检测Y轴电阻上的模拟电压，并把模拟电压转化成数值，用模数转换器计算X坐标。在这种情况下，Y-轴变成感应线。同样地，在Y+和Y-点分施加电压梯度，可以测量Y轴坐标。第三章、电容式感测技术在手机触摸屏中的应用 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
24、mat），无需移动式元件就可以实现，这样会形成平顺光滑的接触表面。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
25、可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。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。 电容式感测的SNR基准推荐在手机设计中实现一个稳健的电容式感测设计的关键在于获得大的信噪比（SNR）。在电子通信和其它工程领域，SNR一般以分贝表示。但在手指感测应用中，不建议采用dB作为SNR的测量单位，因为对它的计算方法还不确定。基于功率的dB公式是10 ? log（P2/P1），基于电压幅度的公式是20 ? log（V2/V1），但究竟哪一个公式更适合于触摸应用尚不清楚。此外，在“触摸的分贝数”的解释方面也存
26、在着混淆。为了避免这些问题，Cypress半导体公司采用一种简单的比率作为电容式感测SNR的首选基准。Cypress给出的最佳实践指南是信号比噪声至少大5倍。按照工程术语，就是最小SNR为5:1。如何测量SNR触摸传感器应用中的SNR根据传感器输出端的计数值来测定。比如，传感器上没有手指时峰峰噪声为8。当手指放在传感器上时，获得的信号是118，则SNR为118:8，约为15:1。SNR的测量应该考虑到最好情况和最坏情况。最好情况是指较大的手指放在传感器垫片中心。最坏情况是较小的手指偏离中心放置。在手机系统的早期开发中，利用真实的手指来测试是一种可接受的方法。若开发人员希望测试更加与操作者无关，
27、并且可重复，可以用金属盘或棒来代替真实手指。由于覆盖膜（overlay）厚度会削弱信号强度，因此，较稳妥的办法是系统开发时采用比预计稍厚的覆盖膜。为避免较高级固件的屏蔽效应，利用原始的未压缩的传感器计数值来测量SNR。当没有手指触摸时，关断任何让传感器输出归零的自补偿或自动校准功能。 图1: 手指压力决定信号和噪音的构成 建立噪声预算 管理电容式传感器性能的方法之一是建立噪声预算，这包括列出可能降低系统SNR的噪声源。对于手机，这些噪声源有内部IC噪声、RF噪声和交流线路噪声。估算每一个噪声源对传感器计数值的影响。把这些计算值加上额外施加的计数值的总和作为设计余量，将会使SNR大于5:1。手机
28、本身就产生了一个RF能量很高的环境，这对系统的影响可能大于往系统里增加少量噪声计数。电容式传感器靠近RF发射器工作带来的问题是，传感器的线迹相当于有效天线。大量RF能量与控制器IC的耦合可能在传感器系统中导致不良后果，造成触摸感测的失败。这种潜在问题的一个简单解决方案是利用串联电阻来抑制谐振。数百欧姆的电阻和传感器的输入串联，并尽可能靠近控制IC的引脚放置，足以防止这类问题的发生。 对手机而言，电容式感测解决方案的功耗必需很低。对于电池供电的移动设备而言，低功率的目标要求控制器向主控器件报告的速度不应该过快，对传感器的扫描时间也不应该过长，若无其它事件待处理时应该进入睡眠状态。 延长电池寿命的
29、关键是把传感器有效扫描和处理数据时流经的平均电流降至最低。平均电流可以通过简单的有功电流和睡眠电流的时间加权平均计算来求得，故扫描之间控制器的睡眠时间越长，电池寿命越长。长睡眠时间间隔的一个实际限制是系统的延迟，亦即触摸事件和系统对触摸的响应之间的迟滞。在非技术性用户看来，大的延迟表现为按键的反应迟缓。极端而言，极长的睡眠时间间隔会导致按键一段时间失效。在手机设计中，解决上述问题在于在传感器快速响应和低功耗之间找到一个良好的平衡点。对于手机设计，30-50ms的延迟是个不错的目标。要把功耗降到更低，如果很长时间都没有用户输入，开发人员常常让传感器进入更长延迟模式。这种较慢的扫描模式，被称为待机
30、模式，有100ms或更长的延迟。一旦出现用户输入，系统立即进入有效扫描模式，按键响应速度更快。 下面的实例计算显示了在一个带有12个传感器的手机设计中，如何在待机模式下实现低至33mA的平均电流。扫描时间设为每传感器0.5ms（t1 = 0.512= 6ms）。待机模式下的报告速率为100ms，故睡眠时间间隔设置为94ms （t2= 1006ms）。睡眠电流和有功电流可在控制器IC数据手册中查到（ISleep=3A，IActive=1,500A）。把这些参数代入平均电流IAVE计算公式，可求得平均电流为93A。 如果待机模式下只有一部分传感器被扫描，那么平均电流可能更低。把12个传感器分为3个
31、一组，可减少扫描时间（t1=0.512/3=2ms）。这种情况下，平均电流降至33?A。机械方面的考虑事项系统设计中，机械层叠是一个重要的考虑因素，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中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。 图2: 手机电容传感器的机械层叠截面
32、图 可编程解决方案 进入编程阶段时，系统控制器有多种选择。在专用器件方面是只负责扫描传感器和输出数据的固定功能器件。在高度集成及灵活的器件方面，是可以执行大范围电容感测功能的可编程感测器件，包括按键、滑标、触摸板和接近度传感器。此外，这种灵活性还可以简化最后一分钟的设计变化，并支持一般由一个或多个器件完成的非电容式感测功能。例如，手机可能需要多项功能，包括利用键垫完成的电容式感测、通过光电二极管进行的环境光感测、经由加速计实现的倾斜感测，以及当手机设置为振动模式时小型电机运行所需的电机驱动。所有这些功能都能够通过用C语言开发的灵活软件集成到单芯片中。让我们以下列情景为例，来看看一个可编程方案所
33、带来的价值。由于所有感测和控制功能都由软件控制，故有可能把电容式传感器配置为在低功率待机模式下的接近度检测，也可能把同一个传感器配置为正常工作模式下的触摸传感器。在待机模式下，接近度传感器扫描手指是否出现在上述任何电容式传感器上方1或2cm的区域。当感测到有手指接近时，传感器可由软件重配置，让触摸感测功能取代接近度感测功能。手机将继续工作在这种模式下，直到用户停止和电容式传感器的交互。这时，接近度传感器把手机设置回待机模式。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
34、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。第四章、电容式手机里的传感设计4.1投射式电容触摸屏一种触摸屏技术“投射式电容触摸屏”也就是iPhone以及Prada等较新较高端的触摸屏手机所采用的技术。电容式触控屏利用人体的电流感应进行工作。电容式触控屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO（镀膜导电玻璃），最外层是一薄层矽土玻璃保护层, ITO涂层作为工作面, 四个角上引出四个电极，内层ITO
35、为屏蔽层以保证良好的工作环境。当手指触摸在金属层上时，由于人体电场、用户和触控屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触控屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。所以说电容式触控屏轻轻一摸就可以被系统识别到，而我们常见的电阻式触摸屏则需要“压”下去才能够被系统感知，投射式电容触摸屏的优点在于灵敏度更高，这也是iPhone采用虚拟屏幕键盘成功的关键点。过去在Pocket PC平台上也有人开发过用手指直接点击屏幕的文字输入系统，但是由于电
36、阻式触摸屏的由于灵敏度较低，在进行屏幕虚拟键盘输入时不免会出现“掉字”现象，更是不可能实现高速的输入。在正是接触到iPhone之前笔者也曾怀疑过iPhone虚拟键盘的实用性，而当实际试用过后发现投射式电容技术触摸屏上的虚拟键盘完全可以实现与物理键盘相同的输入速度。4.2主板电路图1.主板电路图4.3电容式感测技术在手机触摸屏中的应用 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
37、，而且带来了更好的用户体验。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
38、滑的接触表面。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。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。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。大多数触摸传感控制器依据所检测到的电容变化来工作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，并通过控制电路测出电容的
39、变化。4.3-1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附近将增加
40、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。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
41、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
42、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。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。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。4.3-2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
43、地之间引入额外的电容而发生变化。图：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。在存在水滴时仍具有很棒的性
44、能。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延时线的电阻来改善性能。4.3-3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。触摸按钮通常代替继续按钮滑块检测
45、手指某个难度的滑动利用加速法实现滑动和轻触滑轮用于移动电话mp3控制台等实现相对和绝对传感触摸板采用单一芯片控制的矩形输入实现流畅触摸和放大缩小功能表2：各种应用的触摸控制方案。（2）由于没有活动部件且易于适应曲面外形，触摸传感器开关是汽车应用的理想选择。但汽车应用对触摸技术提出了更高的要求，汽车制造商要求提供成本低、工作温度宽的汽车级触摸传感器控制器。关键是降低触摸传感器方案的总实现成本。价格合适的触摸传感器为汽车设计工程师实现新颖的接口特性提供了条件。（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
46、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时，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、遥控器和移动电话。光敏三极管等效电路图当有光照射在基区时，激发产生的电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加，这就是光敏三极管集电结的光
47、生电流。该电流注入发射结进行放大，成为光敏三极管集电极与发射极间电流，它就是光敏三极管的光电流。可以看出，光敏三极管利用普通半导体三极管的放大作用，将光敏二极管的光电流放大了( I + hFE) 倍。所以，光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。4.4手机电容式的电感式位移传感器的设计4.4-1传感器的作用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取
48、准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到纳米的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 秒的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的
