电容传感

在电气工程中，电容传感是一种基于电容耦合的技术，可以检测和测量任何导电或具有不同于空气的电介质的东西。许多类型的传感器使用电容式传感，包括用于检测和测量接近度、压力、位置和位移、力、湿度、液位和加速度的传感器。基于电容式感应的人机界面设备，例如触摸板，可以代替电脑鼠标。数字音频播放器、手机和平板电脑使用电容式感应触摸屏作为输入设备。电容式传感器也可以代替机械按钮。

电容式触摸屏通常由电容式触摸传感器以及至少两个互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路(IC)芯片、专用集成电路(ASIC)控制器和数字信号处理器(DSP)组成。电容式感应通常用于移动多点触控显示器，在2007年由Apple的iPhone普及。

电容式传感器由许多不同的介质构成，例如铜、氧化铟锡(ITO)和印刷油墨。铜电容传感器可以在标准FR4PCB以及柔性材料上实现。ITO允许电容式传感器的透明度高达90%（对于一层解决方案，例如触摸电话屏幕）。电容式传感器的尺寸和间距对传感器的性能都非常重要。除了传感器的尺寸及其相对于地平面的间距之外，所使用的地平面的类型也非常重要。由于传感器的寄生电容与电场有关的（电场）到地面的路径，重要的是选择一个接地平面，在没有导电物体的情况下限制电场线的集中。

设计电容传感系统首先需要选择传感材料的类型（FR4、Flex、ITO等）。人们还需要了解设备将在其中运行的环境，例如完整的工作温度范围、存在的无线电频率以及用户将如何与界面交互。

有两种类型的电容传感系统：互电容，对象（手指、导电笔）改变行和列电极之间的互耦合，依次扫描；和自电容或xxx电容，其中物体（例如手指）加载传感器或增加对地寄生电容。在这两种情况下，先前xxx位置与当前xxx位置的差异产生了对象或手指在那段时间内的相对运动。这些技术将在以下部分详细说明。

在这项基本技术中，只有绝缘体的一侧涂有导电材料。向该层施加小电压，从而产生均匀的静电场。当一个导体，例如人的手指，接触到无涂层的表面时，就会动态地形成一个电容器。由于表面的薄层电阻，每个角落都被测量为具有不同的有效电容。传感器的控制器可以根据电容的变化间接确定触摸的位置从面板的四个角测量：电容变化越大，触摸距离该角越近。由于没有移动部件，它具有中等耐用性，但分辨率较低，容易因寄生电容耦合而产生错误信号，并且需要在制造过程中进行校准。因此，它最常用于简单的应用，例如工业控制和交互式信息亭。

投射电容式触控(PCT)技术是一种电容式技术，通过蚀刻导电层可实现更准确和灵活的操作。的XY网格通过蚀刻一个层，以形成的栅格图案形成任一电极，或通过蚀刻两个分开的，具有垂直线或轨道以形成所述网格导电材料的平行的层;与许多液晶显示器(LCD)中的像素网格相当。

PCT的更高分辨率允许在无直接接触的情况下操作，这样导电层可以涂上更多的保护绝缘层，甚至可以在屏幕保护膜下或在天气和防暴玻璃后面操作。由于PCT的顶层是玻璃，与电阻式触摸技术相比，PCT是一种更强大的解决方案。根据实施方式，可以使用有源或无源手写笔代替手指或作为手指的补充。这在销售点很常见需要签名捕获的设备。戴手套的手指可能无法感应到，具体取决于实施和增益设置。面板表面上的导电污迹和类似干扰会影响性能。这种导电污迹主要来自发粘或出汗的指尖，尤其是在高湿度环境中。由于指尖的湿气而粘附在屏幕上的灰尘也可能是一个问题。

PCT有两种类型：自电容和互电容。

互电容传感器在每行和每列的每个交叉点处都有一个电容器。例如，一个12×16的阵列将有192个独立的电容器。甲电压被施加到行或列。将手指或导电笔靠近传感器表面会改变局部电场，从而降低互电容。可以测量网格上每个单独点的电容变化，通过测量另一个轴上的电压来准确确定触摸位置。互电容允许多点触控操作，可以同时准确跟踪多个手指、手掌或触控笔。

自电容传感器可以具有与互电容传感器相同的XY网格，但列和行独立运行。使用自电容，电流可感应每列或每行手指的电容负载。这会产生比互电容感测更强的信号，但无法准确分辨多于一根手指，从而导致“重影”或位置感测错位。

简单电容计的设计通常基于张弛振荡器。要检测的电容构成了振荡器的RC电路或LC电路的一部分。基本上，该技术的工作原理是用已知电流为未知电容充电。（电容器的状态方程是i=Cdv/dt。这意味着电容等于电流除以电容器两端电压的变化率。）可以通过测量达到充电所需的充电时间来计算电容（弛张振荡器的）阈值电压，或等效地，通过测量振荡器的频率。这两者都与振荡器电路的RC（或LC）时间常数成正比。

电容测量误差的主要来源是杂散电容，如果不加以防范，它可能会在大约10pF和10nF之间波动。通过屏蔽（高阻抗）电容信号，然后将屏蔽连接到（低阻抗）接地参考，杂散电容可以保持相对恒定。此外，为了xxx限度地减少杂散电容的不良影响，xxx将传感电子设备放置在尽可能靠近传感器电极的位置。

另一种测量技术是在电容分压器上施加固定频率的交流电压信号。它由两个串联的电容器组成，一个是已知值，另一个是未知值。然后从电容器之一的两端获取输出信号。未知电容器的值可以从电容比中找到，电容比等于输出/输入信号幅度的比，可以通过交流电压表测量。更精确的仪器可以使用电容电桥配置，类似于惠斯通电桥。电容桥有助于补偿应用信号中可能存在的任何可变性。

电容式触摸屏比电阻式触摸屏反应更快（因为不需要电容，电阻式触摸屏对任何物体都有反应），但精度较低。然而，投射电容提高了触摸屏的精度，因为它在触摸点周围形成了一个三角网格。

标准触控笔不能用于电容式感应，但为此目的存在导电的特殊电容式触控笔。人们甚至可以通过将导电材料（例如抗静电导电膜）包裹在标准手写笔周围或将薄膜卷成管子来制作电容式手写笔。电容式触摸屏的制造成本高于电阻式触摸屏。有些不能带手套使用，即使屏幕上有少量水也无法正确感应。

互电容传感器可以提供电场变化的二维图像。使用该图像，已经提出了一系列应用。对用户进行身份验证估计触摸屏幕的手指方向以及区分手指和手掌成为可能。虽然电容式传感器用于大多数智能手机的触摸屏，但电容式图像通常不会暴露给应用层。

具有高水平电子噪声的电源会降低精度。