汽車智能內飾傳感器系統

趙 勝

（上海科世達-華陽汽車電器有限公司， 上海 201814）

隨著手機等電子設備的快速發展，智能內飾的概念出現了。一張設計師眼中的智能內飾見圖1，該內飾上已經沒有看到機械按鍵，而是將一些人機交互的界面集成在了內飾件比如儀表板裝飾條、門板裝飾條上。智能內飾是一個很廣的概念，包含了很多實際的研究領域，比如電容觸控技術、表面處理、顯示技術、反饋系統、氛圍燈等，而本文著重闡述其中的傳感器技術。與傳統機械開關不同，為了實現一體的內飾效果，操作者的輸入主要是通過電容觸控技術來實現，操作者的手指觸摸動作能帶來隱藏在背部的電容傳感器的信號變化，經過信號處理傳遞到MCU后激活相應功能。在電容觸控技術的實際使用過程中，我們發現手指觸摸上去就能激活功能，有極大的誤觸發可能性，所以在新的產品中力傳感器也越來越多地要求被應用。有了手指的觸摸信號，還要加上手指按壓一定的力，這樣才能讓系統激活相應功能。

圖1 設計師眼中的智能內飾

1 電容式觸摸傳感器

目前汽車工業領域的觸控技術使用較多，較早的有顯示屏上使用的電阻式傳感器，電阻式傳感器由于靈敏度不夠高，并且比較容易受環境影響現在已經在市場上被取代。目前市場上還有操作安全性更高的紅外式傳感器來實現觸控，該技術不用依賴于使用導體來觸控，任何不透光的物體都可以操作而被識別，但該技術需要使用較多紅外傳感器，價格昂貴，并且只能使用在一個平面上如顯示屏。而本文要重點闡述的電容式傳感器，靈敏度高、性能穩定、受環境影響小，并且價格適中。

1.1 原理

電容觸控技術的原理是基于電容形成的原理而展開的，電容的結構其實是由兩片相互絕緣、相互接近的導體所組成的，它可以存儲電能與電荷，其電容計算為C=ε0εrA／d，其中ε0為真空介電常數，εr為覆蓋物介電常數，A為接觸面積，d為覆蓋物厚度［1］。

電容式傳感器基于電容的基本原理（圖2），采用一對相鄰的電極，按鍵背部粘貼的傳感器會通過柔性板等方式和電路板上的檢測電路連接，當其他導體（通常指人的手指） 接近電極時，隨著2個電極之間的距離減小，這將增加手指和電極之間的電容。對這一電容進行測量，即可判斷出導體的存在。基于這項技術，即可將其應用于各項場合。在實際應用中，覆蓋物可以是塑料，也可以是玻璃等非導電物體。

圖2 電容觸控基本原理

1.2 應用分類

電容式觸摸傳感器主要分為4種，分別是按鍵式、滑條式、2D矩陣式和接近感應式，如圖3所示，其中接近感應式可以直接在前3種傳感器的基礎上通過軟件算法來實現，故沒有單獨的圖片介紹。

圖3 電容觸控分類

按鍵式傳感器在每個需要觸摸的信標下方都設置有單獨的傳感器，其大小和手指大小接近，圖3中的按鍵式傳感器展示了典型的按鍵式傳感器設計。在該應用中，用戶通過觸摸就能實現相應功能。在實際應用中也可以配合壓力感應來防止誤操作。

和按鍵不同，滑條式通常是由好幾個按鍵組成，往往排列整齊且大小均勻。在形狀上，滑條有直線型和環形，直線型用于一個方向上的滑動操作，用于識別手指的左右或上下運動，而環形用于類似旋鈕一樣的操作，用于識別手指順時針或逆時針方向滑動。

而2D矩陣式傳感器通常是橫向設置一定數量傳感器，縱向設置一定數量傳感器，當手指觸摸到某一位置時，通過判斷橫向和縱向位置的交叉點而找到精確的手指位置。該應用廣泛應用于手機和電腦觸摸板，汽車上被用于觸摸顯示屏。由于其位置探測上的高分辨率，也可以用于某些設計來實現手指上下左右的滑動識別，比如用于導航按鍵上取代傳統機械開關，或昂貴的光學傳感器。

1.3 開發過程

不同于機械按鍵式開關，電容式觸控產品集成度高，其功能可靠性依賴于機械、電子硬件和軟件設計，這些系統設計必須完美融合在一起才能保證產品功能正常。所以在電容觸摸傳感器的開發過程中，需要在設計階段進行數據仿真，在實物出來后進行實物測量，并在生產線進行在線標定，保證生產的一致性，而這個過程中的每個環節都是測量和優化調整的過程。如圖4所示。

圖4 電容觸控關鍵過程

在完成初版結構數據和電容傳感器Layout后，需要對電容信號進行模擬仿真，由此可以判斷信號量是否足夠以激活功能并保證EMC抗擾性能，同時也可以看到傳感器大小和位置設計是否合理，是否存在信標之間的信號竄擾，滑動操作是否能有效被判斷。如果仿真不合格，可以通過優化機構設計如減薄壁厚、設置部分區域隔斷、增加屏蔽線等方式。仿真結果合格后可進行詳細數據設計及圖紙放行。

在結構件以及電路板生產出來后需要進行實物測量，以確認實際測量值和仿真結果是否有偏差，如有偏差需要通過調整硬件電路上的相關器件來達到信號量的最大化。如果實測有信號竄擾，也需要研究是否由于零件材料、工藝等帶來，通過不斷測量和優化，最終固定到產品中去。

由于電容信號會受環境、零件材料密度、裝配等的影響，在產品從生產線上下來前需要經過電容信號標定，以減小各種因素帶來的信號公差，保證產品的一致性。

2 力傳感器

觸控開關目前常用的力傳感器有壓電陶瓷、電阻式壓電片、電容式壓力傳感器和光電式壓力傳感器。出于價格和可靠性考慮，目前應用較多的是電容式和光電式傳感器。典型的壓力傳感器見圖5，其中左側傳感器為電容式，金屬彈片受力后會發生形變，該形變會帶來彈片和PCB上電極之間距離變化而產生電容信號變化，通過相關檢測電路探測到信號變化。而右側的光電式傳感器系統中，面板和殼體之間會設置一定的彈性連接，當面板上施加力時會帶來面板和PCB之間距離變化，此時PCB上會有一個紅外式的光學LED，通過發送和接收反射回來的光能計算出距離變化。

圖5 典型的電容式和光電式力傳感器模型

和觸摸傳感器一樣，力傳感器在設計階段也需要進行很多機構上的力學仿真，通過優化設計和重復仿真讓彈片達到足夠的變形量。另一方面也需要進行電容信號的仿真，通過優化彈片和傳感器之間的距離、疊加面積等來獲得足夠的信號量。通過這些仿真能夠達到在OEM定義操作力情況下產生足夠的信號。由于力傳感器靈敏度非常高，任何的零件公差都會帶來很大的信號差異，所以力傳感器不論在開發階段還是在生產線上都需要被標定。對每個信標進行力標定后才能達到每個信標上操作力的一致性，也能達到產品之間操作力的一致性。

3 結束語

以上對觸摸傳感器和力傳感器分別做了介紹，其中觸摸傳感器有很多類型，分別有不同應用場景，所以設計上也有一些差異。另外，為了降低觸摸類產品的誤操作率，力傳感器也越來越多地得到應用。本文也介紹了常見的力傳感器原理，并簡單描述了該類傳感器的開發過程。

由于電容觸控相比傳統開關反饋性變差，即駕駛員在駕駛過程中雙眼不能離開前方的同時操作觸控區域，更難保證是否確實按下了開關，所以市場上現在已經出現了震蕩反饋的方案，筆者也有參與振動反饋類的項目，后續有機會可以撰寫該技術的專題文章。