电容式触摸传感器如何成为机械式开关元件的实用型替代方案

电容式传感器具有一系列优点，如结构紧凑、灵敏度高、温度稳定性好、适应性强、动态性能好等。目前，它不仅广泛用于测量机械量，如偏移、振动、视角和加速度，还用于测量液位、压力和成分含量。

电容传感器

英文名为capacitive type transducer的AD1377KD电容传感器，是一种通过电容的变化反映其它量转换的仪器。其核心由左右两个电级、绝缘物、衬底组成，在压力的影响下，薄膜会产生一定的弯曲，上下间距会发生变化，导致电容变化，但是电容不会随着极间距的变化而线性变化，它还需要测量电路对导出电容进行一定的非线性补偿。

电容传感器的分类

根据传感器的类型，电容传感器分为：

(1).接触式传感器：包括显示器件和输入器件

(2).运动传感器：包括加速度计、陀螺仪和磁传感器

(3).相位传感器：包括位移传感器和接近传感器

(4).其它传感器：包括液位传感器、位移传感器、水位传感器

根据原理，电容传感器分为：

电容式传感器一般由两个平行电级组成，气体作为两个电级之间的物质，其电容可以表示为C，不考虑边缘效应。=εS/d，其中，ε显示两个电级之间物质(即气体)的介电常数，s显示两个电级之间的相互覆盖面积，d显示两个电级之间的距离。由于这三个参数的影响，任何参数的变化都会促进电容的变化。

所以，电容传感器分为物质转换型(ε所以C的变化是变化的)、面积转变型(S所以C的变化是变化的)和极距变化型(d所以C的变化是变化的)三种。

电容器传感器的原理

一、变化面积式电容传感器

图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。

变面积电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的，敏感性是常量。这种传感器主要用于检查直线偏移、角速度、规格等参数。

二、变化极距式电容传感器

由于被测物体的功效导致动极片偏移，影响了两极板之间的距离d，从而使容量发生变化。

在具体使用中，为了提高敏感度，总是使原始极距d0尽可能小，但是这也会带来变极距电容器行程较小的缺陷。

a）结构示意图 b）电容量与极板距离的关系

从图中可以看出，为了提高敏感度，d0应该小一些，但是行程缩小了(声音极片触摸)。

转换介电常数式

由于各种介质的介电常数不同，在电容器两极板之间插入不同的物质时，电容器的电容也会有所不同。

电容式传感器的特点

电容变换器需要将测量的机械量转换成电压或电流，然后进行放大和处理。在一些环境下，这些机械量的变化非常缓慢，变化范围很小。测量应具有较高的分辨率，其他传感器很难达到高分辨率，而一些电容测微仪的分辨率为0.01。μm，最大量程为100±5μm，所以一般采用电容式传感器进行检测比较合适，这种传感器有以下突出优点：

(1)高阻抗，小功率，所以所需的输入力很小，输入动能也很低。

电容式传感器需要的输入动能很小，因为带电极板之间的静电引力很小(大约是几个10-5N)，所以特别适合处理输入能量低的测量问题，比如压力、力、极小的加速度、偏移等。，可以非常敏感，分辨率很高，可以体验0.001。μm甚至更小的偏移。

(2)温度稳定性好。

传感器的电容值一般与电池材料无关，有利于选择温度系数低的材料，而且由于自身烫伤很小，对稳定性影响不大。

(3)结构紧凑，适应性强，待测体为导体或半导体，可在极端环境下工作。

电容式传感器结构紧凑，制造方便，可以做得相当精致，实现一些特殊的测量；它可以在恶劣环境下工作，如高低温、强辐射和磁场，也可以测试磁性工件。

(4)良好的动态响应。

由于极片之间的静电引力很小，移动部分很小很薄，所以它的共振频率很高，动态响应时间很短，可以在几兆赫的次数下工作，非常适合动态测量，如测量振动、瞬时压力等。

(5)能实现非接触测量，具有平均效用。

例如，非接触测量旋转轴的振动或偏心，小滚动轴承的径向间隙等。在使用非接触测量时，电容传感器具有平均效用，可以减少工作表面粗糙等对检测的影响。

电容式触摸传感器

多点触摸屏、触摸板、滑动条、电视遥控器、智能手机、多媒体播放器、平板电脑、信息亭、游戏机等消费电子产品更多地使用电容式触摸传感器，成为各种消费电子产品中脚踏开关的易用升值替代方案。

对于典型的电容式传感器，要求其覆盖层厚度为3mm或更薄。随着覆盖层厚度的增加，手指的触摸会变得更加困难。随着覆盖层厚度的增加，系统调整过程必须从“科学”跨越到“精雕细琢”。

手指电容

所有电容式触摸传感系统的关键部分是一组与电场相互影响的导体。在皮肤下面，人体细胞中充满了传输电解质(有损电介质)。正是这种手指的导电特性，促进了电容式触摸传感的实现。

简单的平行板电容器有两个导体，它们之间有一层电介质。该系统中的大部分能量直接聚集在电容极片之间。少量的动能会泄漏到电容极片以外的空间，这些泄漏动能产生的电场被称为“边缘场”。

将手指放在边缘电场周围，会增加电容式传感系统的导电面积。手指形成的额外电荷存储容量是已知的手指电容器CF。CP描述了无手指触摸时的传感器电容。

关于电容式传感器的一个常见误解是，为了使系统正常工作，手指必须接地。事实上，手指之所以被感知，是因为它含有电荷，这与它是悬空还是接地无关。

电容式相位传感器的需求从汽车领域、制造业、消费电子到医疗保健不断增加。与踏板开关相比，基于电容的触摸传感器具有耐久性好、不易损坏、可长期使用的主要特点。混合信号技术的近期发展不仅促使触摸传感器的成本降低到各种消费产品的成本效率水平，而且提高了检测电路的敏感度和稳定性(因为覆盖层的厚度和耐久性增强)。电容式触摸传感器已经成为机械式开关元件的一种实用型替代方案。

方案传感器覆盖输入很小测量

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