當(dāng)前觸摸感應(yīng)在智能設(shè)備上的應(yīng)用已經(jīng)很普遍了，一個(gè)產(chǎn)品加入了觸控感應(yīng)往往給人以“高逼格”的感覺，其實(shí)除了對產(chǎn)品美觀度有提升之外，觸控相較于按鍵還有更多的實(shí)用性，例如，在結(jié)構(gòu)方面，觸控感應(yīng)外表面可以做到密閉，更易做到防水防塵，在可靠性方面，電子式的觸控感應(yīng)較機(jī)械式的按鍵有更長的壽命。本篇就深入探究觸摸感應(yīng)的原理。
一．觸摸感應(yīng)分類
按照工作原理及感應(yīng)介質(zhì)可將觸摸感應(yīng)分為電阻式、電容式、紅外式、超聲波式。
1.電阻式觸摸感應(yīng)：通過改變電阻值來檢測是否觸摸，這種“觸摸”會給下方膜結(jié)構(gòu)一個(gè)壓力使其產(chǎn)生“形變”導(dǎo)致層間短路，短路使阻值發(fā)生改變，正是因?yàn)樾枰┘訅毫?，所以電阻式觸摸可靠性高，不易受外界噪聲干擾，常用在工業(yè)領(lǐng)域觸控屏中。
2.電容式觸摸感應(yīng)：通過改變電容值來檢測是否觸摸，人體與地之間存在電容，直接或間接觸摸焊盤時(shí)會使芯片端口的等效電容值增大，從而使芯片內(nèi)部波形發(fā)生改變。因?yàn)槿梭w對地之間電容容量很小，導(dǎo)致波形變化也很小，因此電容式觸摸對各種干擾會更加敏感，觸摸按鍵設(shè)計(jì)、觸摸面板的設(shè)計(jì)以及觸摸IC的選擇都十分關(guān)鍵。
3.紅外式觸摸感應(yīng)：作者之前寫過一篇文章來介紹紅外感應(yīng)，紅外感應(yīng)頭由發(fā)射管和接收管組成，如果障礙物（人手）將紅外光遮擋，一部分反射光將會被接收管接收到，加上外圍信號電路即可識別判定此次遮擋。以此延伸到觸摸屏，如果在一塊四邊形的屏幕上，其中一邊均勻放置發(fā)射管，對邊均勻放置接收管，此時(shí)在屏幕上即形成光柵，觸控操作的物體（比如手指）將遮擋若干紅外線，接收端電路經(jīng)轉(zhuǎn)換后即可生成觸控的坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)操作的響應(yīng)。
4.超聲波式觸摸感應(yīng)：與紅外式觸摸感應(yīng)類似，區(qū)別之處在于感應(yīng)方式傳播觸發(fā)信號的媒介為超聲波。如下圖所示，屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發(fā)生器，右上角則固定了兩個(gè)相應(yīng)的超聲波接收器，屏的四個(gè)周邊刻有45度角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。在沒有觸摸的時(shí)候，接收信號的波形與參照波形完全一樣，當(dāng)手指或其他能夠吸收或阻擋超聲波能量的物體觸摸屏幕上時(shí)，反應(yīng)在接收波形上即某一時(shí)刻上波形有一個(gè)衰減缺口，經(jīng)過處理芯片內(nèi)算法計(jì)算即可得到相應(yīng)的坐標(biāo)。
紅外式觸摸感應(yīng)和超聲波式觸摸感應(yīng)從嚴(yán)格意義上來講是“遮擋”而非“觸摸”，不過給人的表象是“觸摸”而已，所以本篇文章只對這兩種感應(yīng)方式作以上簡要介紹，重點(diǎn)介紹電阻式和電容式觸摸感應(yīng)。
二.電阻式觸摸感應(yīng)
2.1 原理
電阻式觸摸原理和電位器較為相似，一般應(yīng)用在電阻式觸摸屏中，所以用“四線式”觸摸屏舉例，它主要由聚乙烯(PET)制成的柔性頂層和玻璃或聚碳酸酯類制成的剛性底層組成，這兩層都涂有一種稱為氧化銦錫(ITO)的透明導(dǎo)電化合物，并由墊片隔開。
當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，產(chǎn)生壓力，使柔性層發(fā)生形變，兩導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置接觸，電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生X、Y兩個(gè)方向的信號，然后發(fā)送給觸摸屏控制器，控制器檢測到這個(gè)接觸并計(jì)算出（X，Y）的位置，然后按照模擬鼠標(biāo)的方式進(jìn)行操作。
計(jì)算觸點(diǎn)的（X，Y）坐標(biāo)分為如下兩步：
- 計(jì)算Y坐標(biāo)：在Y+電極施加驅(qū)動電壓Vdrive，Y-電極接地，X+作為引出端測量得到接觸點(diǎn)的電壓，由于ITO層均勻?qū)щ姡|點(diǎn)電壓與Vdrive電壓之比等于觸點(diǎn)Y坐標(biāo)與屏高度之比；
- 計(jì)算X坐標(biāo)：在X+電極施加驅(qū)動電壓Vdrive，X-電極接地，Y+作為引出端測量得到接觸點(diǎn)的電壓，由于ITO層均勻?qū)щ姡|點(diǎn)電壓與Vdrive電壓之比等于觸點(diǎn)X坐標(biāo)與屏寬度之比。
2.2 感應(yīng)信號處理電路
三.電容式觸摸感應(yīng)
3.1 原理
任何兩個(gè)導(dǎo)電的物體之間都存在著感應(yīng)電容，一個(gè)按鍵即一個(gè)焊盤與大地也可構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電容，在周圍環(huán)境不變的情況下，該感應(yīng)電容值是固定不變的微小值。當(dāng)有人體手指觸摸按鍵時(shí)，人體手指與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容容值大概5-15pF，和焊盤與大地構(gòu)成的感應(yīng)電容并聯(lián)，導(dǎo)致總感應(yīng)電容值增加。電容式觸摸按鍵IC在檢測到某個(gè)按鍵的感應(yīng)電容值發(fā)生改變后，將輸出某個(gè)按鍵被按下的確定信號。
3.2 感應(yīng)信號處理電路
檢測電容變化的方式有兩種：諧振式和SLOPE式，通俗來講就是檢測頻率的變化和充放電時(shí)間的變化。
方式一：芯片內(nèi)部為比較器電路，比較器的正輸入端接到了一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，比較器的負(fù)輸入端接到了電阻RC與感應(yīng)電容之間，比較器所接的電阻網(wǎng)絡(luò)為比較器提供了參考電壓，而這個(gè)參考電壓又受到了比較器輸出反饋的激勵(lì)，其震蕩頻率可由以下公式計(jì)算：
當(dāng)手指接觸觸摸按鍵以后，Csensor的值將會改變，于是fosc隨之改變，芯片內(nèi)部程序根據(jù)計(jì)算規(guī)定時(shí)間內(nèi)上升沿或下降沿的個(gè)數(shù)是否達(dá)到閾值，來判定是否“按下”按鍵。
方法二：首先由GPIO Load對電容Cx進(jìn)行充電，同時(shí)開啟定時(shí)器計(jì)時(shí)，隨著充電進(jìn)行，當(dāng)達(dá)到GPIO Acq設(shè)定的閾值電壓Vref時(shí)停止計(jì)時(shí)，這樣就可以計(jì)算充電時(shí)間，當(dāng)手指接觸觸摸按鍵以后，Cx的值將會改變，充電時(shí)間會變長，通過計(jì)算充電時(shí)長是否達(dá)到閾值，來判定是否“按下”按鍵。
3.3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):
前面文字提到，電容式觸摸易受干擾，那么在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循規(guī)則來將電路方面的干擾降到最低，以下為常用的一些規(guī)則，另外部分廠家的芯片應(yīng)用手冊中也有設(shè)計(jì)規(guī)則可以參照。
1.感應(yīng)盤到觸摸芯片的連線盡量短和細(xì)，如果PCB工藝允許盡量采用5mil的線寬；
2.感應(yīng)盤到觸摸IC的連線不要跨越其他信號線，尤其不能跨越強(qiáng)干擾、高頻的信號線；
3.感應(yīng)盤到觸摸IC的連線周圍0.5mm不要走其他信號線；
4.如果使用PCB板上的銅箔圖案做觸摸感應(yīng)盤，盡量使用雙面PCB，觸摸芯片和感應(yīng)盤到IC引腳的連線應(yīng)放在感應(yīng)盤銅箔的背面（BOTTOM），感應(yīng)盤應(yīng)緊貼觸摸面板；
5.觸摸IC及其相關(guān)的外圍電路要用45度網(wǎng)格鋪地，網(wǎng)格中銅的面積不要超過總面積的40%，連線周圍0.5mm不能鋪地，感應(yīng)焊盤和鋪地至少保持10mm的距離，感應(yīng)焊盤正對的背面不允許鋪地，也不允許有大面積的銅箔和其他信號線。
以上介紹了四種常用的觸摸感應(yīng)方式，如果各位有什么疑問，歡迎在留言區(qū)交流。