在现有的所有电子元件中，开关可以说是最基本的元件之一。开关和灯通常是向学生展示的第一个电路，用于演示电流如何流动。工程师可以使用多种开关技术，每种技术都有自己的优点和缺点。

大型机电开关是控制电网电源的理想选择，因为它们可以使用简单的机械设计（例如杠杆操作）处理大电压和电流，而较小的按钮非常适合用于需要低成本、简单解决方案的消费电子产品最多处理几伏。

然而，消费电子产品中使用的机电开关可能会遇到一些障碍，包括它们的机械和电气循环次数有限（这对于公众使用的设备来说尤其成问题，例如芯片和 PIN 阅读器）。

工业控制应用中使用的开关也面临着挑战。潮湿、多尘或腐蚀性的环境会损坏内部触点并堵塞杠杆和执行器。由于触点之间的电弧，此类开关甚至可能点燃潜在爆炸性环境。在这些情况下，即使是最小和最简单的开关也需要高 IPX 等级以确保它们与周围环境完全密封。

为了缓解这些挑战，电容式触摸传感器为工程师提供了一个绝佳的开关选择，它没有移动部件，可以提供多点触控功能，并且可以轻松地进行环境密封。尽管电容式触摸传感器在消费电子产品中非常流行，但它们并非没有缺点。希望使用它们的工程师需要了解它们的工作原理以及可能遇到的障碍以及如何克服这些障碍。

了解电容式触摸传感器

简而言之，电容式触摸传感器的行为就像一个开关，在检测到电容变化时激活。虽然大多数其他开关技术依赖于机械动作，但电容式触摸传感器在手指或手写笔出现时激活，而不管施加的压力如何（尽管通常可以调整该参数）。

电容式触摸传感器之所以起作用，是因为在正常情况下，两个表面板之间的电介质是空气。当用手指替换空气时，介电材料会发生变化，从而显着降低总电容。

电容式触摸传感器非常适合需要环境密封以防灰尘、污垢和油脂的应用。例如，厨房表面经常被食物和灰尘弄脏，这会很快损坏机电开关。电容式触摸传感器不仅不受此类损坏，而且可以轻松擦拭，提供更卫生的界面。

这种密封传感器的能力也有利于预期在爆炸性环境中使用的工业设备。普通机电开关在接触时会产生火花，火花的大小取决于所使用的电压和电流。如果此类开关未正确密封，它们可能会点燃爆炸性环境。由于电容式触摸传感器可以完全密封，因此它们的爆炸风险几乎为零。

电容式触摸传感器的另一个潜在应用是需要许多机械循环的设备。尽管机电开关的机械生命周期可以达到数百万，但某些应用需要更多，例如公共交通站的支付终端。由于缺少机械部件，电容式触摸传感器几乎不受长期机械损坏的影响。

最后，电容式触摸传感器是自助结账屏幕的理想选择，尤其是因为此类表面可以轻松清洁而不会损坏电容式触摸传感器。自 COVID-19 大流行开始以来，这一点变得越来越重要，因为作为病毒控制工作的一部分，许多组织经常清洁共享的触摸屏表面。

集成电容式触摸传感器

在集成电容式触摸传感器时，工程师应牢记几个因素，包括电容式触摸传感器的类型、功耗、附近电子设备的干扰以及灵敏度。

物理特性

最常见类型的电容式触摸传感器之一安装在印刷电路板 (PCB) 上。这种多样性完全作为 PCB 特征制造，这可能是创建接口的一种极具成本效益的方法。与安装在 PCB 上的电容式触摸传感器相关的设计要求相对简单，只需要在顶层有一个电极网格，周围环绕着接地层。市场上许多允许直接读取这些开关的微控制器进一步简化了这种传感器设计。

在 PCB 中设计电容式触摸传感器时，传感器的尺寸不应超过平均指尖的尺寸；通常，用于 PCB 的电容式触摸传感器的直径在 8mm 到 20mm 之间。如果较大，传感器将过于敏感，这可能会导致称为“手影”的现象，即靠近手或手臂会触发传感器。

电源注意事项

机电开关是不需要电源即可运行的无源元件，而电容式触摸传感器是完全有源的——它们需要电源，这可能会在能源效率至关重要的情况下带来挑战。在工作期间，电容式触摸传感器通过外部电路充电，充电时间由微控制器计算。由于充电时间取决于电容，手指的存在会改变最终的充电时间——这种变化可以在软件中检测到。因此，电容式触摸传感器需要充电电流和主动扫描传感器的微控制器。

为了降低电容式触摸传感器的功耗，工程师采用了不同的技术。最常见的是功率循环。在此阶段，电容式触摸传感器的检查频率较低，以最大限度地减少能源浪费。只有当检测到手指或手写笔时，系统才会增加每秒的检查周期数以确保准确性。

另一种降低功耗的技术涉及使用唤醒算法，该算法可以让微控制器进入休眠状态，同时仍在运行电容式触摸外设。就像电源循环一样，此方法只会在唤醒主处理器以确定要采取的操作之前定期检查是否存在手指。

噪音和干扰

电容式触摸传感器的一个主要缺点是它们容易受到噪声和干扰的影响。因此，工程师必须确保尽可能消除或减轻干扰源。例如，电源的波动很容易将噪声注入传感器本身，尤其是开关电源和微控制器操作引起的高频噪声。因此，电源和微控制器必须具有足够的去耦和低通滤波器。

一个特别麻烦的干扰源是外部电磁干扰 (EMI)，因为电容式触摸传感器是充当天线的大板。因此，工程师必须通过提供足够的接地平面并使传感器电路远离噪声元件来保护传感器免受噪声 EMI 源的影响。

环境温度的变化也会影响电容式触摸传感器的感应能力，这主要是因为手指的介电常数随温度变化很大。尽管人类的核心温度稳定，但他们四肢的温度可能会发生巨大变化，而这些变化会导致难以检测到手指的存在。同时，较低的温度也会减少皮肤上的水分含量，从而影响电容式触摸传感器的工作方式。

灵敏度

电容式触摸传感器产生非线性模拟输出（与简单的数字开/关输出相反），因此它们不仅仅用于简单的检测。例如，此非线性输出可用于确定手指施加的距离和压力，从而实现高级功能。

虽然在某些应用中可能需要这种非线性特性，但对环境条件的敏感性会使电容式触摸传感器难以调谐。例如，多尘环境中的电容式触摸传感器需要提高灵敏度，而潮湿气候等潮湿环境可能需要降低传感器灵敏度。

电气规格

电容式触摸传感器对工作电压具有极高的耐受性，许多本身支持电容式触摸传感器的微控制器将集成所有必要的电压驱动器和电流读取器来操作开关。因此，设计工程师通常可以将注意力集中在电容式触摸传感器的物理尺寸和设计上，而不用担心电压电平、总线转换器和其他电气考虑因素。

安装和布局设计

设计电容式触摸传感器的艺术很复杂，需要考虑传感器的尺寸、接地层的使用以及覆盖传感器的材料等设计考虑因素。对于工程师来说幸运的是，许多深入的资源描述了不同的传感器设计以及使这些传感器工作所需的计算。此类资源通常由包含电容式触摸传感器外围设备的微控制器制造商发布。

如前所述，电容式触摸传感器必须远离嘈杂的 EMI 源。传感器周围的接地也很重要，工程师应考虑整个设备的外壳。例如，未接地的金属外壳会将噪声引入电容式触摸传感器，从而难以可靠地检测到按压。

接口

虽然设计工程师可以创建自己的电容式触摸界面，但使用众多现成解决方案中的一种要容易得多。在大多数情况下，这些微控制器具有直接驱动电容式触摸传感器所需的所有外围设备，这不仅消除了对外部组件的需求，而且还降低了最终设计的价格和尺寸。

校准

校准是集成电容式触摸传感器时极为重要的一步。在没有某种校准步骤的情况下，再多的理论和计算也不允许在工厂中对电容式触摸传感器进行一次编程；因此，工程师应该考虑如何在制造过程中或在客户的首次设置阶段集成校准。

校准电容式触摸传感器的最佳方法是获取多个读数，找到平均值，然后加上裕度。通过这样做，可以保证每次按下开关都会激活，并且余量可以考虑湿度、温度和碎屑的轻微变化。最后，还可以通过执行多个相同的动作、记录数据、对这些数据进行平均，然后将这些数据输入用于识别手势的算法来校准高级手势控制——或者如果使用人工智能 (AI)，训练 AI从收集到的原始数据。

结论

尽管电容式触摸传感器可能需要微控制器来操作和屏蔽噪声源，但由于其全固态设计、相对较低的成本和对手势的支持，它们是工业控制应用中传统机电开关的绝佳替代品。本文概述了电容式触摸传感器及其一些用途和设计。有关更多详细信息，请参阅传感器和支持它们的微控制器的数据表和应用说明。（作者：Mouser Electronics 的 Robin Mitchell）