電容式觸摸按鍵芯片介紹及原理

現階段，隨著電容式觸摸按鍵在外形美觀和使用壽命等方面都優于傳統的機械按鍵，電容式觸摸按鍵的應用領域也日益廣泛，包括家電、消費電子、工業控制和移動設備等。本文就一種具體的電容式觸摸開關芯片SJT5104介紹一下電容式觸摸按鍵的基本工作原理和材料選擇。

先來看兩張圖感受一下，一張電容式觸摸按鍵的PCB版圖和一張生活中常見的電器觸摸圖片：

一、工作原理

任何兩個導電的物體之間都存在著感應電容，一個按鍵即一個焊盤與大地也可構成一個感應電容，在周圍環境不變的情況下，該感應電容值是固定不變的微小值。當有人體手指靠近觸摸按鍵時，人體手指與大地構成的感應電容并聯焊盤與大地構成的感應電容，會使總感應電容值增加。電容式觸摸按鍵IC在檢測到某個按鍵的感應電容值發生改變后，將輸出某個按鍵被按下的確定信號。電容式觸摸按鍵因為沒有機械構造，所有的檢測都是電量的微小變化，所以對各種干擾會更加敏感，因此觸摸按鍵設計、觸摸面板的設計以及觸摸IC的選擇都十分關鍵。

二、觸摸PAD設計

1.   觸摸PAD材料

觸摸PAD可以用PCB銅箔、金屬片、平頂圓柱彈簧、導電棉、導電油墨、導電橡膠、導電玻璃的ITO層等。不管使用什么材料，按鍵感應盤必須緊密貼在面板上，中間不能有空氣間隙。當用平頂圓柱彈簧時，觸摸線和彈簧連接處的PCB，鏤空鋪地的直徑應該稍大于彈簧的直徑，保證彈簧即使被壓縮到PCB板上，也不會接觸到鋪地。

2.   觸摸PAD形狀

原則上可以做成任意形狀，中間可留孔或鏤空。作者推薦做成邊緣圓滑的形狀，可以避免尖端放電效應。一般應用圓形和正方形較常見。

3.   觸摸PAD面積大小

按鍵感應盤面積大小：最小4mm×4mm，最大30mm×30mm。實際面積大小根據靈敏度的需求而定，面積大小和靈敏度成正比。一般來說，按鍵感應盤的直徑要大于面板厚度的4倍，并且增大電極的尺寸，可以提高信噪比。各個感應盤的形狀和面積應該相同，以保證靈敏度一致。通常在絕大多數應用里，12mm×12mm是個典型值。

4.   觸摸PAD之間距離

各個觸摸PAD間的距離要盡可能的大一些（大于5mm），這樣可以減少它們形成的電場之間的相互干擾。當用PCB銅箔做觸摸PAD時，若觸摸PAD間距離較近（5mm～10mm），觸摸PAD必須用鋪地隔離。如果各個觸摸PAD距離較遠，也應該盡可能的鋪地隔離。適當拉大各觸摸PAD間的距離，對提高觸摸靈敏度有一定幫助。

三、觸摸面板選擇

1.   觸摸面板材料

面板必須選用絕緣材料，可以是玻璃、聚苯乙烯、聚**乙烯（pvc）、尼龍、樹脂玻璃等，按鍵正上方1mm以內不能有金屬，觸摸按鍵50mm以內的金屬必須接地，否則金屬會影響案件的靈敏度。在生產過程中，要保持面板的材質和厚度不變，面板的表面噴涂必須使用絕緣的涂料。

2.   觸摸面板厚度
通常面板厚度設置在0～10mm之間。不同的材料對應著不同的典型厚度，例如亞克力材料一般設置在2mm～4mm之間，普通玻璃材料一般設置在3mm～6mm之間。

3.   雙面膠

觸摸按鍵PCB與觸摸面板通過雙面膠粘接，雙面膠的厚度取0.1～0.15mm比較合適，推薦采用3M468MP，其厚度0.13mm。要求PCB與面板之間沒有空氣，因為空氣的介電系數為1，與面板的介電系數差異較大。空氣會對觸摸按鍵的靈敏度影響很大。所以雙面膠與面板，雙面膠與PCB粘接，都是觸摸按鍵生產裝配中的關鍵工序，必須保證質量。
PCB與雙面板粘接，PCB帶雙面膠與面板裝配時都要用定位夾具完成裝配，裝配完成后，要人工或用夾具壓緊。為了保證PCB板與面板之間沒有空氣，需要在雙面板上開孔和排氣槽，并且與PCB上開孔配合。設計夾緊夾具時，重點壓觸摸按鍵的部位，確保感應部位沒有空氣。

四、觸摸IC選用

目前，世界知名電子元器件供應商均加大了對電容式觸摸按鍵IC的應用研究，并推出了眾多的專業芯片（本文簡稱觸摸芯片），也有眾多基于MCU集成類的IC，設計人員選擇空間較大，可以根據功能的需求和芯片的性價比來選擇適合設計需要的IC，也可以自己設計基于MCU的A/D口實現觸摸IC。

五、EC022W觸摸IC介紹

1.基本介紹

EC022W是一顆低成本高可靠度的電容式觸摸感應IC，用于 LED 燈光亮度調節及開關控制的單通道觸摸芯片。使用該芯片可以實現LED 燈光的觸摸開關控制和亮度調節。具有如下功能特點和優勢：

①燈光亮度可根據需要隨意調節(觸摸無極調光和觸摸三段調光功能)，選擇范圍寬，操作簡單方便。

②可在有介質（如玻璃、亞克力、塑料、陶瓷等）隔離保護的情況下實現觸摸功能，安全性高。

③應用電壓范圍寬，可在 2.4~5.5V 之間任意選擇。

④應用電路簡單，外圍器件少，加工方便，成本低。

⑤抗電源干擾及手機干擾特性好。EFT 可以達到±2KV 以上；近距離、多角度手機干擾情況下，觸摸響應靈敏度及可靠性不受影響。

2、不帶亮度記憶突明突暗的 LED 觸摸無級調光功能如下：

①初始上電時，燈為關滅狀態。

②點擊觸摸（觸摸持續時間小于 550ms）時，可實現燈光的亮滅控制。一次點擊觸摸，燈亮；再一次點擊觸摸，燈滅。如此循環。燈光點亮或關滅時，無亮度緩沖。且燈光點亮的初始亮度固定為全亮度的 50%。

③長按觸摸（觸摸持續時間大于 550ms）時，可實現燈光無級亮度調節。一次長按觸摸，燈光亮度逐漸增加，松開時燈光亮度停在松開時刻對應的亮度，若長按時間超過 3 秒鐘，則燈光亮度達到最大亮度后不再變化；再一次長按觸摸，燈光亮度逐漸降低，松開時燈光亮度停在松開時刻對應的亮度，若長按時間超過 3 秒鐘，則燈光亮度達到最小亮度后不再變化。如此循環。

④點擊觸摸和長按觸摸可以在任何時候隨意使用，相互之間功能不受干擾和限制。

不帶亮度記憶漸明漸暗的 LED 觸摸無級調光功能是在不帶亮度記憶突明突暗的 LED 觸摸無級調光功能的基礎上，在點擊觸摸開燈和關燈時，通過使燈光由一個較低亮度緩慢平滑過渡到開燈初始亮度，在點擊觸摸關燈時，使燈光由當前亮度緩慢平滑降低直至關滅，從而達到亮度緩慢變化的視覺緩沖效果，起到保護眼睛和視力的效果。

帶亮度記憶漸明漸暗的 LED 觸摸無級調光功能是在不帶亮度記憶漸明漸暗的 LED 觸摸無級調光功能的基礎上增加了亮度記憶功能。即在 AC220V 電源不斷電的情況下，每次點擊觸摸關燈時的亮度會被記憶，下次點擊觸摸開燈時會以此亮度作為初始亮度。在 AC220V 電源掉電的情況下，重新上電后的第一次點擊觸摸開燈，初始亮度固定為全亮度的 50%。

LED 三段觸摸調光功能：

初始上電時，燈為關滅狀態。

每次點擊觸摸，燈光亮度按低亮度->中兩度->高亮度->滅依次循環變化。

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