北京时间01月26日消息，中国触摸屏网讯，    电容感应板设计分层剖析

    本文来自：http://www.51touch.com/touchscreen/news/front/201001/26-5111.html

    由于电容感应技术对印刷电路板变动、高频杂讯和接地布置非常敏感，因此对研发人员来说，如何设计出合格的电路板，一直是主要的技术挑战之一。在各种常见应用中，又以笔记型电脑的多媒体控制板(Multimedia Bar)的挑战最为艰钜，因为其外观形状多为狭长形，特别容易受到藕合现象影响。因此，本文选择以多媒体控制板为例，说明其PCB设计基本原理，读者可以举一反三，将这些基本原理应用到其他不同形状的介面设计工作。 

    在进行基板设计前，设计人员应先了解以下几项基板需求定义，如感应控制器数量、是否要採用滑杆或旋轮设计、有多少按键须搭配LED等。其他如系统的电源供应电压、模组外观设计(尺寸、感应板大小、PCB上的LED光源孔面积等)、表面材质、是否要实作接近侦测功能及有无间歇性杂讯源等，也都会影响整个触控板的效能表现。 

    图5为一个典型的笔记型电脑多媒体控制板设计以及其按键配置状况，图6则为此一控制板的垂直剖面图。

图5:典型的笔记型电脑多媒体控制板外观设计
图6:多媒体控制板垂直剖面图(以4层板为例)

    根据杂散电容(Ci)的公式Ci=ε０εr A/d，当层板间的距离(d)变短，则杂散电容增加，使得系统能的杂讯状况恶化，因此，设计人员应尽可能拉长接地层与感应器层间的距离，以确保感应板处于低杂散电容状态。

    以使用FR4材质，厚度为1.6毫米的PCB为例，其中心层(Core)厚度是1毫米，从浸胶体层(Prepreg)是0.3毫米。若设计人员将接地层部署在中心层，则其杂散电容值将对感应板的效能带来相当严酷的衝击。最好的配置法应将感应器配置在顶层，而接地层配置在最底层。考量PCB板为四层板，建议作法如如图7。

图7:建议四层板布线图

    除了将感应器与接地层做适当的隔离外，感应器走线时亦应尽可能使用最小线宽，以降低杂散电容。电源和接地可以20～30密耳(mil)宽度走线，如此可以帮助电源和接地层降低PCB大小。 

    而在走线方式上，不建议让感应器走线出现长距离并行的情况，因为这种作法很容易形成藕合现象，让感应器受到额外的杂讯干扰。最理想的走线应採取垂直走线，但考量到多媒体控制板均为狭长形，因此在设计实务上，长距离并行走线往往是无可避免的。若万不得已必须并行，至少要拉开两倍走线宽度的距离。 

    在电路板顶层(图8)，建议设计人员最好只配置感应器板，感应器板之间的区域可以填以网状地线，但假如有感应表面层覆盖，就不要做网状地线。感应器与网状地线间，间距须至少保持20密耳以上。

图8:电路板顶层感应器板设计

    在电路板的第二层，应避免放置接地层或电源层，因为这种作法会大大地增加感应器板的杂散电容。所以建议设计人员可能让此层保持閒置，若因基板空间限制，必须利用这层板面积时，可以放置感应器板的走线，若本层还存在其他非感应器板的走线线路，须注意应以垂直于感应器板走线的方式布线，以减小讯号干扰或交连(Cross Connect)。 

    电路板的第三层则是主要感应器板的布线层。位于顶层的感应器板经过垂直穿孔(Via)连接到此层，此连结孔应放在感应器范围内。 

    电路板的第四层则是所有讯号连结线的布线层，线路应部署在远离感应讯号区域，以避免快速的升、降缘讯号影响感应器的感测作业。将讯号线路部署在底层，有两个合理的理由：首先，在电路板底层有网状接地线，可协助降低/抑制杂讯。

    此外，切换讯号也是影响电容感应的潜在干扰源之一，宜适当地隔离开来，以降低切换讯号干扰到感应讯号。 

    在接地层设计部分，除了应避免接地层造成感应器杂散电容增加外，接地层也会因为增加电场对地藕合，导致感应灵敏度降低。因此，建议设计人员应採用网状接地层取代一般接地层，因为网状接地层有较「轻」的电场藕合，并可提供适当的电容感应。网状接地层的参考设计作法如图9。接地层的铜箔线宽度可为5密耳，彼此间的间隔则为30密耳。

图9:网状接地层参考作法

    除了感应PCB板设计外，设计人员也可在感应晶片的参考电容接脚(CREF Pin)添加电容，以滤除杂讯并增加稳定度。此电容如同滤波器般，可改善感应侦测，提升参考阻抗隐定度，电容器的误差不会衝击运作模式。

    滑杆/旋轮式感应器设计技巧揭密

    电容感应技术的一大特性之一，在于可自由地设计按键的形状与大小，让产品的外观更有时尚感。但感应器板的厚度和材质，仍会影响感应器的灵敏度。大区域面积的感应器有较佳灵敏度，但设计人员在进行印刷电路板布局时，仍应注意在在感应器板之间，应至少对周边接地层保留20密耳间距。 

    有鑑于目前市场特别青睐滑杆与旋轮按钮的设计风格，笔者以下将探讨实作此一设计的架构与注意要点。 

    虽然在外观和操作感觉上，滑杆和旋钮有很大的差别，但从电容感应技术实作的观点，滑杆和旋钮其实是同一类型的特殊按键，亦即带有解析度的特殊按键。设计人员可以用虚位式(Psedo Position)或比例量测式(Ratiometric)的技巧来实现这类特殊按钮。 

    虚位式(图10)的设计技巧是指，设计人员故意将感应键之间的距离拉近，当使用者的手指触碰时，只有讯号最强的感应键被认定为真正的手指位置。假如设计人员设计了n个感应键，则最大的位置分办可以达到n+(n-1)个不同位置。

图10:虚位式滑杆/旋钮设计

    比例量测式技巧(图11)则可感应手指在活动区移动时的精确位置。精确的位置可由使用者对滑杆键的碰触所造成的阻抗改变而计算出。因此，设计人员所设计的滑杆区段大小应小到当手指碰触时，可以有重叠区，对于所感应的表层范围，尽量控制到足够大，大到可以有适当的灵敏度。

图11:比例量测式滑杆和旋钮

    为了能有稳定和精确的侦测，滑杆相邻的感应键应尽可能的远，以保持各个感应键的阻抗各自独立。

    整体来说，滑杆和旋钮的感应基础在于阻抗值的变化，因此设计人员须力求外部杂讯干扰最小化，同时注意将杂散电容保持在低水准，因为杂散电容会降低这类特殊按钮的效能。

    按键型态花样百出　万变不离基本原则

    电容式触控按键已有很长的发展历史，从早期的家电产品到近期资讯娱乐产品，均为其应用市场。特别是在进入产品生命週期较短的资讯娱乐产品领域后，许多工程人员与产品工业设计团队的巧思，均让这项已经有多年历史的新技术有了不同的应用风貌。 

    但在这些创意设计背后，确保触控感应精准度与效能的基本原则并未改变，只要按照本文所指出的基本电容式感应技术原理与设计注意事项进行，相信读者们均可设计出创意与效能兼具的新一代触控介面。