基于電容式觸摸按鍵防潮設計研究

張吉征 陳妃味

（廣東TCL 智能暖通設備有限公司 中山 528427）

引言

電容式觸摸按鍵是一種無需機械鍵盤的輸入設備，通過觸摸傳感器和控制芯片實現(xiàn)輸入信號的檢測和處理。電容式觸摸按鍵通過檢測物體與電極之間的電容變化來實現(xiàn)輸入信號的檢測。它具有靈敏度高、響應速度快、壽命長等優(yōu)點，常用于智能家居如燈光開關、窗簾控制、空調控制、智能手表交互控制、智能手機交互、汽車控制面板等場景。電容式觸摸按鍵由于可以實現(xiàn)一體化平面設計，觸摸按鍵的應用不僅提高了產品的美觀度和交互性，而且還大大提升了用戶的使用體驗。因觸摸按鍵設計使產品外觀精致，交互便利導致觸摸按鍵在產品的應用越來越廣泛，市場需求量逐年水漲船高。

但觸摸按鍵技術自身有弊端，主要存在誤觸問題、靈敏度問題及觸摸按鍵失效。誤觸問題是有時候用戶不小心觸碰了按鍵或由于外界環(huán)境影響產生誤觸發(fā)，造成不必要的麻煩；靈敏度問題本身是個矛盾體，設置太靈敏，容易產生誤觸發(fā)，降低靈敏度，影響用戶體驗，給客戶一種不好用的感覺；潮濕的應用場景對觸摸按鍵有很大的影響，極易引發(fā)觸摸按鍵失效，給用戶一種產品可靠性差的印象。

我們要充分了解觸摸按鍵原理和應用場景，根據用戶的使用習慣，改善觸摸方案的硬件設計，優(yōu)化軟件算法邏輯，提高產品可靠性和用戶體驗。

1 觸摸原理方法概述

1.1 自電容法

如圖1 的左側顯示了待機時電極的電容，右側顯示電容因人體接觸而增加的電容。電極和線路中自身存在著寄生電容。當一個手指接近時，在電極和手指之間產生電容，使得電極之間的電容增加。自電容方法以這種方式檢測GND 之間產生的電容的變化。

電極與GND 之間的總電容可以用下式表示。

式中：

C—電極檢測的總電容；

Cp—寄生蟲電容；

Cf—手指觸摸產生的電容。

自電容測量法的測量物體（圖中的手指）接近觸摸電極時電容的增加值。

1.2 互電容法

如圖2 在互電容法中，測量一對電極、發(fā)送電極TX 和接收電極RX 之間產生的靜電電容。當一個手指接近電極時，一部分電磁場移動到人體，導致電極之間的電容減小。通過周期性地觀察這些電極之間的電容，可以檢測到人體的接近。

圖2 互電容法的觸摸檢測原理

圖3 水附著于一個電極時的測量數(shù)據

互電容測量法測量一對電極（接收電極和發(fā)送電極）的電極間電容。當手指靠近觸摸電極時，感應器測量電極間電容的減小值。

2 電容式觸摸按鍵潮態(tài)機理

水的介電常數(shù)高達 80，容易與電極或者電極之間產生電容并因此導致觸摸誤檢測。

2.1 自容式觸觸摸按鍵潮態(tài)場景

1）水附著于單個電極，自電容和互電容檢測中沒有檢測到電容的變化。也就是說，水附著于一個電極不會導致觸摸誤檢測。 圖 3 顯示了當水附著于一個電極時的自電容測量數(shù)據。附著于一個電極上的水不產生額外的電容（測量的數(shù)據不變），因此不會導致觸摸誤檢測發(fā)生。

2）水附著于多個電極，附著于多個電極上的水在自電容檢測時會導致觸摸誤檢測發(fā)生，在自電容檢測中，附著于多個電極上的水會在電極間產生寄生電容，導致檢測電容值增加。自電容檢測依據檢測到的電容值的增加情況來判斷觸摸/非觸摸狀態(tài)，因此會導致觸摸誤檢測發(fā)生。

如圖4 顯示當水附著于多個電極時的自電容測量實際數(shù)據，TS11 顯示有超過觸摸檢測閾值導致誤檢測發(fā)生，而 TS10由于未超過觸摸檢測閾值（綠線所示），所以沒有觸摸誤檢測發(fā)生。

圖4 水附著于多個電極時的測量數(shù)據（自電容）

3）接地到 GND 的水附著于一個電極，如圖7 所示，當接地到 GND 的水附著于一個電極時，電極和水之間產生的電容導致電容增加。在自電容測量時，導致觸摸誤檢測發(fā)生 (當人觸摸電極導致電極接地到 GND 時也是如此)。圖5 顯示了接地到 GND 的水附著于電極時的自電容測量數(shù)據。

圖5 接地到 GND 的水附著于電極（自電容）

2.2 互容式觸觸摸按鍵潮態(tài)場景

如圖6 所示，當接地到 GND 的水附著于電極時，電極和水之間產生的電容導致電容增加。同時，電極（發(fā)送電極和接收電極）間電容由于接地到 GND 而減小。因此，在互電容檢測中，接地到 GND 的水附著于電極時會導致觸摸誤檢測發(fā)生（當人觸摸電極導致電極接地到 GND 時也是如此）。

圖6 接地到 GND 的水附著于電極（互電容）

由于電極上的水接地到 GND 導致互容減小，因此互容測量值減小，觸摸誤檢測發(fā)生。圖6 顯示了當水附著于多個電極且其中一個電極接地到GND 時的互電容測量數(shù)據。

3 電容式觸控按鍵耐水性設計

3.1 自電容式觸摸按鍵耐水性硬件設計處理

和互電容方式相比，自電容方式的觸摸按鍵耐水性能較差，而且不能完全避免誤操作。但是我們可以通過采取相應的措施和方法，可以在一定程度上提高它的耐水性能。

如果兩個觸摸鍵電極之間的距離太近，在潮態(tài)環(huán)境下會有水滴或水膜同時附在兩個或多個電極上，造成相鄰電極的誤檢測。此時應拉開各個電極之間的距離，避免觸摸鍵電極之間的距離太近，水滴會導致多個電極的橋接，從而引起誤檢測。

3.2 自電容耐水性軟件設計處理

圖7 是耐水性軟件處理流程圖，不同品牌方案對應邏輯處理的核心邏輯基本相同，軟件邏輯的核心就是檢測到一個或多個觸摸按鍵因受潮態(tài)影響產生電容增大時，觸摸軟件及時更新校準基準，保證觸摸按鍵及時響應。

圖7 軟件流程圖及邏輯

3.3 自容式觸摸線控器面板軟件防潮處理邏輯

圖8 是線控器的操作面板，共有開/關、MODE、BACK、MENU、OK、UP、DOWN、LEFT、RIGHT 等9 個按鍵，采用自容式觸摸按鍵設計方案，以線控器軟件防潮處理為例說明軟件設計邏輯。

圖8 線控器觸摸按鍵界面

當水汽覆蓋按鍵后背認為被識別為多個按鍵被同時按下，如果此時不處理，觸摸按鍵時就會表現(xiàn)為觸摸按鍵失效，觸摸按鍵不響應，這種場景在實際應用中經常出現(xiàn)，給客戶帶來極差的使用體驗。

針對高濕環(huán)境下使用觸摸按鍵，多按鍵按下的時候如果沒有更新基線，就會出現(xiàn)觸摸按鍵相應的現(xiàn)象，為提升用戶實驗體驗，以線控器觸摸按鍵為例說明現(xiàn)有邏輯應用層上對基線鎖定:

1）基線鎖定，干擾產生信號未達到閾值，程序判定后延時5 s 復位基線適應環(huán)境，保證系統(tǒng)盡快從環(huán)境異常中恢復，這樣可以避免鎖定后基線太高，極個別按鍵遲鈍信號減小不靈敏的情況。

2）對于基線鎖定達到閾值產生觸摸輸出的情況，對于我們規(guī)定的menu+down 和mode+down 組合以外的組合鍵，認為系統(tǒng)誤觸發(fā)，復位基線盡快恢復。

3）對于基線鎖定后的長按鍵除了 up 、down、ok 的其他單個長按鍵做了3 s 后的清除和基線復位。對于 up、down、ok 三個中的單個長按鍵涉及到用戶操作，做了60 s 的長按限制，誤觸發(fā)后，超過此時間清除按鍵信號復位基線，保證系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)。

4 互容式電極的耐水布線設計

4.1 互電容耐水性硬件設計處理

在潮態(tài)環(huán)境下使用設備，電極的表面會形成水膜，由于水的具有高的介電常數(shù)，這時，如果手指接觸水膜，相當于手指接觸到了水膜下的多個電極，電極上的水接地到 GND 導致互容減小，導致觸摸誤檢測發(fā)生，所以硬件設計上要進行針對性的設計處理。

1）增大電極間距，所有對于耐水性能要求較高的產品，必須確保各個電極之間保持有足夠寬的距離。為了防止相鄰電極之間由于水汽產生電容的誤檢測（串擾），電極之間的距離建議是面板厚度（包括空氣層）的 2 倍以上，即電極間距≧2×面板厚度（空氣層）。

2）電極盡量在水平方向排布，即與水流向垂直排布，最大程度避免水流把相鄰電極橋接。對于在測量中不使用的電極，發(fā)送電極Tx 引線輸出低電平。對于耐水性能要求較高的產品，可以將所有的發(fā)送電極 Tx 引線集中在一組中。這樣可以防止非活動狀態(tài)的發(fā)送電極 Tx 引線通過水膜與其他電極橋接，從而造成誤檢測。

4.2 互電容耐水性軟件設計處理

互電容耐水性軟件處理與自容電容式耐水軟件處理大體一致，只是在判定標準不一樣，自容電容式耐水軟件處理判斷電容增大進行觸摸響應，而互電容耐水性軟件處理是判斷電容減小進行觸摸響應，當電極檢測到一個或多個觸摸按鍵因受潮態(tài)影響產生互電容減小時，觸摸軟件及時更新校準基準，保證觸摸及時響應。這里不在重復闡述。

5 結論

電容式觸摸按鍵針對耐水性問題可以通過硬件設計調整，有針對性完善不同場景下軟件處理邏輯，就能很好的解決電容式觸模按鍵誤觸發(fā)、靈敏度及按鍵失效的問題。我們需要不斷從提升產品可靠性和用戶體驗兩個維度去完善電容式觸控鍵設計方案。

我們相信，通過不斷的技術創(chuàng)新和改進，電容式觸摸按鍵技術會成為一種更加可靠、便捷的觸摸控制技術，隨著智能家居、物聯(lián)網等技術的發(fā)展，電容式觸摸按鍵將會得到更廣泛的應用。