目录
1. 触摸按键的功能与原理..............................................................................................................2
1.1 触摸按键的功能................................................................................................................2
1.2 触摸按键的原理................................................................................................................2
2. PCB常规设计指南.......................................................................................................................3
2.1 电路板布局........................................................................................................................3
2.2 地层...................................................................................................................................3
2.3通讯线的隔离.....................................................................................................................4
2.4 电源...................................................................................................................................5
3. 感应盘电极与元件的设计..........................................................................................................6
3.1 按键...................................................................................................................................6
3.1.1 形状.........................................................................................................................6
3.1.2 尺寸.........................................................................................................................7
3.1.3 按键和引线的间距.................................................................................................7
3.1.4 按键‐地的间隙.......................................................................................................8
3.2 滑动条................................................................................................................................8
3.2.1 滑动条尺寸与布板.................................................................................................8
3.2.2 间距.........................................................................................................................9
3.3 滚轮...................................................................................................................................9
3.4 触摸应用中的走线............................................................................................................9
3.4.1 长度.......................................................................................................................10
3.4.2 宽度.......................................................................................................................10
3.5 LED的使用........................................................................................................................10
3.5.1 LED设计在感应盘附近......................................................................................10
3.5.2 LED开孔.............................................................................................................11
3.6 触摸按键的结构设计......................................................................................................11
3.6.1 面板的材料、厚度与表面处理.........................................................................11
3.6.2 双面胶的使用.......................................................................................................13
3.6.3 触摸按键 PCB 板与FPC.....................................................................................13
3.6.4 触摸按键PCB 开口设计.....................................................................................13
3.6.5 触摸按键背光设计...............................................................................................14
4. 其他考虑因素............................................................................................................................14
触摸按键应用设计参考
电容感应按键可用于很多应用中，或简单、或复杂。这些接口由感应元件组成，并与触摸感应芯片相连接。感应元件由导电材料组成，如铜。
触摸感应式应用中的布板与物理设计非常重要，并且必须遵循某些通用原则，这些通用原则对所有应用都适用。
1. 触摸按键的功能与原理
1.1 触摸按键的功能
触摸按键和键盘（keypad）的作用一样。与键盘（keypad）不同的是，keypad 通过开关或金属弹片（metal dome）的通断发挥作用，触摸按键通过检测电容的变化，经过触摸按键集成芯片处理后，输出开关的通断信号。
1.2 触摸按键的原理
如下图，是触摸按键的工作原理。在任何两个导电的物体之间都存在电容，电容的大小与介质的导电性质、极板的大小及导电性质、极板周围是否存在导电物质等有关。PCB 板（或者FPC）之间两块铜箔区域就是电容的两个极板，等于一个电容器CSensor。当人体的手指接近PCB 时，由于人体的导电性，会改变电容的大小。触摸按键芯片检测到电容值大幅升高后，输出开关信号。人体感应引起的电容变化⊿C≈0.1～5pF。
⊿C
C0 C0
图1 触摸电容CSensor变化图
振荡器波形
图2 张弛振荡器输出波形图
芯片内置一个不断充电放电的RC张弛振荡器，如果不触摸开关，张弛振荡器有一个固定的充电放电周期。如果触摸开关，等效电容CSensor增加，充电放电周期就变长，频率则相应降低，在固定时间t0内检测到的周期数较原先校准的少，就认为检测到了触摸动作。
2. PCB常规设计指南
为电容感应式应用设计印制电路板时，需要考虑包括与感应电路直接相关的许多问题。整个电路将影响感应元件与其走线的电容。通常，PCB对敏感度有负影响。硬件元器件如电容，连接头，电阻，LED等会增加感应式按键的寄生电容。即使是与感应无关的走线也可能与感应元件产生耦合，从而降低应用的性能。
种种原因说明了在设计电容感应式应用时必须仔细检查和优化整个布板。
2.1 电路板布局
对于触摸键盘，由感应元件及走线覆盖的面积是最重要的。最好将这个面积保持在最小，达到最小化芯片与传感器之间的距离。同时将芯片放在感应元件中间可确保每个传感器引线长度计量一致。
触摸芯片 触摸芯片
正确的布局 不正确的布局
图3 触摸键盘与芯片的布局
2.2 地层
不推荐将传感器的走线放在任何电源层上。在传感器下面的地层或电源层会增加对地的寄生电容，并降低灵敏度。
如果有干扰源出现一定要将地层放在传感器下面时，地层必须使用十字交叉形以保证铜的覆盖率小于40%(图6)，覆铜的线和传感器连接线不能平行，这样可以减少寄生电容，并置于最远的一层，以降低对地的寄生电容，同时保证较好的屏蔽效果。
在PCB背面如果有强烈的干扰源下，传感器区域下放可以加地层来防止干扰源干扰，但是这种情况需要尽量避免。
图 4 传感器下方不覆铜
图5 传感器下方不覆铜 其他地方覆铜
图6 传感器下方覆铜
为了避免感应区域的二次辐射及减少不期望的影响，应保持浮动金属远离传感器信号(图7)。
图7 浮动的铜箔需要去除
2.3通讯线的隔离
不要将电容感应的走线靠近通讯线，如I2C或主SPI。通讯线的频率可影响电容传感器的性能。
如果必须将通讯线靠近传感器引线，通讯线和传感器引线应在不同层，并且保证安全间隔。如图8所示。
如果通讯线必须穿过传感器引线，要求通讯线与传感器引线相交叉，应确保交叉是垂直
图 4 传感器下方不覆铜
图5 传感器下方不覆铜 其他地方覆铜
图6 传感器下方覆铜
为了避免感应区域的二次辐射及减少不期望的影响，应保持浮动金属远离传感器信号(图7)。
图7 浮动的铜箔需要去除
2.3通讯线的隔离
不要将电容感应的走线靠近通讯线，如I2C或主SPI。通讯线的频率可影响电容传感器的性能。
如果必须将通讯线靠近传感器引线，通讯线和传感器引线应在不同层，并且保证安全间隔。如图8所示。
如果通讯线必须穿过传感器引线，要求通讯线与传感器引线相交叉，应确保交叉是垂直
相交的，如图9所示。
错误-间距过小 一般 最好
图8传感线与通讯线位于同层的处理
图9传感线与通讯线位于不同层的处理
2.4 电源
触摸IC测量的是电容的微小变化，要求电源的纹波和噪声要小，要注意避免由电源串入的外界强干扰。尤其时应用于电磁炉、微波炉时，必须能有效隔离外部干扰及电压突变，因此要求电源由较高稳定度。
触摸电路部分建议采用独立的电源供电，电源部分应放得离传感器走线和传感设备尽可能远，并和触摸芯片在同一块PCB上。如果需要共用电源部分电路的工作电流小可以才可以共用，触摸芯片的供电最好加装滤波电路（见图10）。
图10 电源滤波参考电路
3. 感应盘电极与元件的设计
好的PCB布线可减少来自于非感应元件的影响，非感应元件不包括导电材料(如铜)，这些可能会影响到按键，滑动条及触摸板的灵敏度。
设计PCB板时，应考虑下列几点：
●至电极的走线应尽可能短(如果可能，应小于100mm)
●在PCB工艺可达到的情况下，线宽应尽可能小(推荐3~4mil宽) ●应保证无源负载尽可能靠近芯片
●对于触摸按键，与相邻按键走线的间距应至少1mm以上
●PCB布板的目的在于减少元件之间的相互影响，即使不能减到最小，也应该使它们对于所有电容式元件的影响是相同的。
图11 距离定义
3.1 按键
一个表面电容按键由一个与触摸芯片相连接的单端铜电极组成。它不需要有太高的灵敏度，只需能够识别手指的触摸与否。 3.1.1 形状
任何形状的按键均可用于电容感应式触摸中，如图12所示。不同的形状不会影响感应的性能，仅与板子的美观程度有关。
图12 按键形状
3.1.2 尺寸
在其它条件都相等的情况下，通常按键越大越好。两个使用相同走线与触摸芯片连接的按键，如果它们的大小不同，则灵敏度也将不同。
小的按键因其表面积小，触摸电容(Csensor)也很小，相应地灵敏度会较差。按键过大并不会显著提高Csensor。但是，将按键面积增大至与触摸物(手指，拇指等)相当，则会显著提高Csensor。
图13 按键尺寸与手指尺寸
对于手指感应，推荐按键的直径至少为0.4英寸(10mm)。较小的按键也可工作，但性能较差。大的按键灵敏度较高，但感应式触摸物的有效接触面积决定了按键尺寸的上限。传感电极面积必须在有效范围内使用，传感电极（electrode）面积增大到一定程度后，面积的继续增加几乎不能对灵敏度产生影响，反而可能引发容易受到干扰。
按键感应盘的大小：最小4mmX4mm（或直径4mm）, 最大25mmX25mm（或直径25mm）。 按键感应盘大小要根据键盘的距离以及感应灵敏度设置等来决定，设计时要避免拇指效应出现，要让感应盘相邻的的距离保持有适当的距离。
感应盘尺寸和等效电容： 感应盘形状 圆形（直径） 四边形 八边形 滑动条
3.1.3 按键和引线的间距
按键可以相互邻近，但如果节距太小，相互之间太过靠近，则会带来不期望的相互影响。其间距见图11。
推荐间距：
‐ 键盘间距如果是3cm，其引线要有1mm 线距 ‐ 键盘间距如果是5cm，其引线要有1.5mm 线距 ‐ 键盘间距如果是7cm，其引线要有要有2mm 线距
‐ 键盘间距如果是>7cm，其感应盘和引线之间，要有GND 线隔离（见图14）
最小尺寸 4mm 4 mm X4mm 4 mm X4mm 8 mm X8mm
典型尺寸 10mm 10 mm
X10mm10 mm X10mm12 mm X12mm
最大尺寸 25mm 25 mm X25mm 25 mm X25mm 25 mm X25mm
等效电容(参考值) 4~6pF 4~8pF 4~8pF
6~8pF（每个触摸盘）
图14 键盘间距大于7cm布线图
3.1.4 按键‐地的间隙
如果可能，地层不应与感应元件放在同一层，只有在感应盘间距比较大的情况下才考虑布GND隔离。如果地层与感应元件太近，将会增加电容并影响对手指存在与否的检测。原则上感应盘和其引线与GND的距离需要保证大于3mm（见图11）。
3.2 滑动条
滑动条由排成一排且分别与触摸芯片相连接的一组相互毗邻的电容感应式个体组成。通常滑动条是线性的，沿着一根轴线移动。
它可以由5或8个元件组成，取决于所需的尺寸与分辨率。 滑动条使用相邻感应盘同时感应来确定感应物的中间位置。 3.2.1 滑动条尺寸与布板
对于滑动条有多种不同设计，尺寸与目标应用决定了滑动条的布板。 为确保一个感应盘与2个感应盘的同时感应，每个感应盘以及间距应有适当的距离，以使手指与其边界重叠。同时要避免同时出现3个感应盘同时感应的情况出现。
1 2 3 4 5 6 7 8 9
S0 S1 S2 S3 S4
图15 5个感应盘组成的滑动条
如图15，把方形触摸按键按顺序紧密排列在一起，即可以设计成触摸状态滑动条。当检测到某传感通道处于开启状态时，就能确定手指在触摸滑动条上的位置。在上例中，使用了S个传感通到来检测9个位置。如果Sl和S2通道同时处于开启状态，就意味着手指的位置位于位置2。
触摸位置
1 2 3 4 5 6 7 8 9
传感器感应 S1 S1，S2 S2 S2，S3 S3 S3，S4 S4 S4，S5 S5
滑动条元件与周围地层的间距要求与按键相同。
对于覆盖有2～3mm的丙稀酸塑料层外壳的应用．建议使用最小尺寸为10×10mm 的感应盘电极。滑动条传感器之间的间隙值建议为0.75mm。两个相邻传感电极之间的间隙约1mm，这是为了确保当手指正好位于间隙内时，两个传感器通道能够同时开启。
3.3 滚轮
如图16滚轮示例(8个触摸盘)，与滑动条相同，滚轮也是由一组与触摸芯片引脚分别相连接的相互毗邻的感应盘(排成一圈)组成。它由5或8个元件组成，可以交替排列，也可直接连接。
图16滚轮触摸
其设计要求和滑动条相同，5个感应盘可以实现10个等级的分辨率，8个感应盘可以实现16个等级的分辨率。
触摸位置
1 2 3 4 5 6 7 8 9
传感器感应 S1 S1，S2 S2 S2，S3 S3 S3，S4 S4 S4，S5 S5
触摸位置 10 11 12 13 14 15 16
传感器感应 S5，S6 S,6 S6，S7 S7 S7，S8 S8 S8，S1
3.4 触摸应用中的走线
触摸感应芯片与传感器之间的走线会增加按键电容并降低信号，从而降低传感器的灵敏度。走线长度会降低灵敏度，因为它会增加感应电路的并联电容。走线长度也会增加噪声，因为走线同时会受内部电路与外部噪声环境的影响。
缩短从触摸芯片至传感器之间的走线长度可降低其它元件与走线产生耦合的风险。触摸感应触摸芯片与传感器之间的走线应尽可能短。建议连线长度小于100mm。 3.4.2 宽度
线宽会增加整个系统的铜覆盖面积，从而增加传感器的电容。同时也会增加与其它层上元件的耦合。因此，走线应尽可能细小，且远离地层。建议宽度3~4mil。
3.5 LED的使用
在用户板上，常常需要LED靠近电容感应式按键。当设计带LED的应用板时，必须考虑以下因素：
●LED的开/关会改变电容值
●LED开/关时其走线会改变阻抗值 ●LED负载电流会影响电源轨道电流 3.5.1 LED设计在感应盘附近
如果LED靠近传感器，且经常被点亮，建议使用一个电容(小于1nF)旁路LED或其驱动器走线。
LED的两端必须为低阻抗通路至地(或电源)。否则，LED必须使用旁路电容以抑制高阻抗。
LED以及LED走线必须保证与触摸盘和触摸盘连线保持大于4mm距离。 图10所示的LED旁路电容的用法同样适用于晶体管。
图17 LED旁路电容示例
3.5.2 LED开孔
如果用户要求LED指示灯在触摸盘的范围内，这就需要在PCB上开孔，使 PCB 下方的光线可以通过挖空导到PCB 上方，照亮面板上的字符。这种设计需要使用到导光材料，使光线通过导光材料传导到开孔位置照亮面板字符。
最大的开孔尺寸与触摸盘大小有关，见下表：
触摸盘直径 5mm 6mm >8mm
最大开孔尺寸
2mmX1.6mm(或直径2mm) 2.8mmX1.2mm(或直径2.1mm) 4mmX2mm(或直径3.1mm)
需要注意开孔尺寸过大可能影响其灵敏度，以上尺寸仅供参考。
特殊情况下，用户为了降低成本或使结构简单，还可以采用LED通过开孔直接照亮面板字符。此方式可能造成干扰需要调整感应的灵敏度与之适应，不推荐使用。如图18所示。
感应电极
图18 LED直接照亮字符示图
3.6 触摸按键的结构设计
3.6.1 面板的材料、厚度与表面处理
面板材料可以是塑料和玻璃等非导电物质，最常用的是PMMA。但是上面不能有金属。按键正上方1mm 以内不能有金属。触摸按键50mm 以内的金属必须接地，否则，金属会影响按键的灵敏度。
在采用电镀、蒸镀、IMD、丝印等表面处理工艺时，要特别注意。
（1） PMMA, PC, 玻璃等面板材料的电镀性都不好，所以不会采用电镀工艺。
（2） 蒸镀/溅镀(VM): 由于蒸镀/溅镀具有金属属性，它们对触摸按键灵敏度有影响。在采用蒸镀/溅镀工艺时，必须注意触摸按键的正上方1mm 以内不能镀。注意这有可能会影响 ID 效果。需要在ID 与触摸按键之间平衡。
（3） NCVM（不导电电镀）不影响触摸按键。这是经过实验检查的结果，所以NCVM 可以用在触摸按键的面板上不受任何限制。
（4） 丝印/移印：如果丝印/移印具有Mirror 效果的油墨，这种油墨中都含有金属离子，具有金属属性，所以这种油墨会影响触摸按键的灵敏度。这种情况与VM 类似，必须注意触摸按键的正上方1mm 以内不能印刷。
面板的厚度不超过2mm，1.5mm 以内更好。根据触摸按键的工作原理，面板的厚度是越薄越好。所以触摸按键的面板厚度在1.0~15mm 之间。
触摸感应应用中的表面覆盖物一定不能为导体。当金属或其它导电物质放在两个导电盘之间时，如手指与传感器之间，不能够形成电容的电介质。
平板电容的电容值由公式1给出。
公式1:
简单的平板电容的几何模型与比值A/d相关。A为导电平板的面积，d为平板之间的距离，
εR为传感器之间材料的介电常数，ε0为自由空间的介电常数。
电容感应式传感器的几何模型比平板电容要复杂得多。传感器中的导体包括手指和PCB铜板。通常，电容感应式系统的几何模型与函数f(A，d)相关。公式2给出了介电常数与系统电容之间的关系。
公式2
与平板电容相同，传感器的电容与εR成正比。
各种表面材料如下表列出了一些常用表面材料的介电常数。介电常数高的材料可更好地传播电场，更适用于电容感应式应用。
常见材料的介电常数
材料
空气 玻璃 石英玻璃 云母 尼龙 树脂玻璃 聚乙烯 聚苯乙烯 聚乙烯酯(PET) FR4(玻璃纤维+环氧) PMMA(聚乙烯甲基丙烯酸酯) 典型的PSA(胶)
1.00059 4至10 9至10 4至8 3 3.4 2.2 2.56 3.7 4.2 2.6至4 2.0-3.0(大约)
εR 介电常数
对于由多种材料堆叠而成的表面，随每层材料的不同而具有不同的灵敏度。
例如，由塑料(PMMA)+胶+PCB组成的表面比由塑料(PMMA)+空气+PCB组成的表面灵敏度要好。因为前者介电常数约为（2.6+2），后者介电常数为(2.6+1)。
介电常数为1.0的空气不适合电容感应式应用。因此，不建议在传感器与表面材料之间存在空隙。
面板的厚度厚度与灵敏度成反比，在设计结构时需要考虑到这点。滚轮与滑动条需要较高的灵敏度，因此表面材料厚度必须较小(约1毫米)。
按键可支持较厚的表面材料(最大15毫米)。 3.6.2 双面胶的使用
为了减少感应电极与面板之间的空气，触摸按键感应盘与面板通过双面胶粘接。双面胶的厚度取0.1~0.15mm 比较合适，推荐采用3M 468MP，其厚度0.13mm。不建议使用普通双面胶。
因为空气的介电系数为1，与面板的介电系数相差很大。空气会对触摸按键的灵敏度影响很大。所以双面胶与面板，双面胶与感应电极粘接，都是触摸按键生产装配中的关键工序，必须保证质量。
（1） 首先感应电极与双面胶粘接，要用定位夹具完成装配，装配完成后，要人工或者用夹具压紧。
（2） 在安装好双面胶的PCB与面板装配时，要求有定位装置，可以是夹具或者结构自身的限位。装配到位后，压紧最重要。批量生产中，需要用夹具压紧。如果不能压紧，触摸按键的灵敏度和可靠性就会降低。
为了保证感应电极触摸盘与面板之间没有空气，如果电极范围内的PCB有开孔，需要在双面胶上开孔和排气槽，并且PCB 上开孔配合。
设计双面胶压紧夹具时，重点压触摸按键的部位，确保 Sensor 部位没有空气。实际证明，一些不灵敏、不稳定的按键，重贴双面胶并压紧后就好了！
双面胶的使用位置建议只贴在感应电极上，引线和其他信号走线上建议不要粘贴，同时需要考虑到装配便于压紧和PCB的安装平衡。 3.6.3 触摸按键 PCB 板与FPC
从理论上，触摸按键无论做在 PCB 板还是FPC 上都能工作。事实上也有多个触摸按键做在FPC 上的例子。首选的方案是PCB 板，如果因为结构限制，PCB 板实在困难，不得已才采用FPC。即使采用FPC，与触摸按键芯片配合的地方必须是平面，因为芯片不能弯曲与扭曲。
FPC 与曲面粘胶配合，实际加工装配中不如PCB 与平面粘胶配合可靠，故导致触摸按键的可靠性降低。对于弧面的面板，为了能够使用使用触摸按键PCB 而不是FPC，要将与触摸按键PCB 配合的部位设计为平面。为了能够使用PCB 而不是FPC，在与触摸按键板配合的地方设计成平面，平面与周围弧面处通过曲面圆滑过渡，成功解决了背面丝印并且能够 与PCB 配合。
3.6.4 触摸按键PCB 开口设计
触摸按键背光是重要的方面。背光设计不好，会对整个触摸按键都有影响。
首先 PCB 板的开孔尺寸确定，PCB 开孔尺寸必须根据面板上字符的大小决定。PCB 开孔尺寸比字符周边大0.1~0.3mm。
设计不好的例子：如果开孔尺寸比字符小，这透过字符的空隙，可以看到开孔以内的物体，和开孔以外的物体，即PCB 板的绿色。这样会产生非常不好的视觉效果，给人以设计粗糙、产品低档的感觉。
3.6.5 触摸按键背光设计
触摸按键背光有三种方案，下面分别介绍。
(1). LED + 反光膜
作用是密封作用，灰尘不会进入面板赃污字符；另一个作用是支撑作用，支撑PCB 紧贴着面板，防止PCB 从面板脱落。
(2). LED + 导光膜
导光膜是一种透明导光的薄膜材料，厚度在 0.1~0.2mm 之间。在按键的位置，印刷有特殊的透光油墨，光线从这里垂直于导光膜向上射出。
导光膜紧贴于PCB 背面。在PCB 背面布置2 个以上侧发光LED 灯，LED 的光线照入导光膜内，在字符处射出，形成触摸按键的背光。
如果 LED+导光膜方案的背光亮度不够，可以在导光膜的背面再加一层反光纸。这种方法比第一种方案背光效果好。光线更均匀，省电。缺点是各个按键的背光不能单独控制， 要亮都亮，要不亮就都不亮。
如果透过面板的光线太强，感觉光线刺眼。硬件上可以通过调节LED 的电流调节等的亮度。结构上可以通过半透效果使光线变得柔和。Tinted的程度（遮光率）在30%~60%之间。太高则可视性差，太低则效果不明显。60% tinted 意味60%的光线被挡住了，只有40%的光线可以透过。
1）采用tinted 面板。由于面板身具有半透的效果，穿过面板的光线减少，降低光的强度。同时透过面板，看设备内面的物体的清晰度也降低。
2）在字符上加印一层半透油墨。字符处效果与上同，面板其它地方的透光率不变。等于局部tinted。
(3). LED直接照亮面板
这种方式的具体设计见3.5.2节和图18。这种方式的确定是LED灯可能对感应PAN形成干扰，需要仔细调整芯片的灵敏度并注意LED安装和布线的距离。此方案不推荐使用。
要特别注意，透过面板接看到LED，就会刺眼。所以设计时，要注意这点。
4. 其他考虑因素
按照这些基本的设计参考进行PCB设计和布局，能够使电容感应应用更加可靠。在PCB设计中，还要考虑其他的重要因素．包括以下几方面。
·PCB上无浮板／极板。PCB的空白区域可填充接地铜箔或留空。
·PCB应当设计成所需要的参考电容值小于20 pF(该参考电容值是在硬件调整期间确定的)，并且各个通道的固有电容应小于10pF。如果大于此值， 则需要修改某些基本布局，如降低接地铜箔的密度，扩大感应输入线／电极到接地铜箔的间距，缩小传感器信号迹线的宽度，甚至去除接地铜箔。如果感应输入电容的最大值超过10pF，则需要使用调谐电容进行匹配设置。
·尽可能地把各个感应通道之间的固有电容的差别控制在10pF以内(可在硬件调整期间测定这一差别)。如果超过10pF，需要降低感应输入线的长度和传感器电极尺寸的失配，来进行重新布局以便把差别降至最低。
·在I2C SDA~SCL线路中安装串联电阻器，以便过滤连接主板和触摸模块的线束所引起的噪声干扰，或来自可能导致I2C信号失真的电源噪声的干扰。
·面板和PCB 的安装通常有3种方式，上面只说明了一种方式。三种方式如下：
1：使用带弹簧的感应盘，将感应盘顶在面板上。
2：使用导电橡胶或导电棉，导电棉或导电橡胶顶端作为感应盘紧贴在面板上。 3：将感应盘用双面胶紧密粘在面板上。
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1. 触摸按键的功能与原理..............................................................................................................2
1.1 触摸按键的功能................................................................................................................2
1.2 触摸按键的原理................................................................................................................2
2. PCB常规设计指南.......................................................................................................................3
2.1 电路板布局........................................................................................................................3
2.2 地层...................................................................................................................................3
2.3通讯线的隔离.....................................................................................................................4
2.4 电源...................................................................................................................................5
3. 感应盘电极与元件的设计..........................................................................................................6
3.1 按键...................................................................................................................................6
3.1.1 形状.........................................................................................................................6
3.1.2 尺寸.........................................................................................................................7
3.1.3 按键和引线的间距.................................................................................................7
3.1.4 按键‐地的间隙.......................................................................................................8
3.2 滑动条................................................................................................................................8
3.2.1 滑动条尺寸与布板.................................................................................................8
3.2.2 间距.........................................................................................................................9
3.3 滚轮...................................................................................................................................9
3.4 触摸应用中的走线............................................................................................................9
3.4.1 长度.......................................................................................................................10
3.4.2 宽度.......................................................................................................................10
3.5 LED的使用........................................................................................................................10
3.5.1 LED设计在感应盘附近......................................................................................10
3.5.2 LED开孔.............................................................................................................11
3.6 触摸按键的结构设计......................................................................................................11
3.6.1 面板的材料、厚度与表面处理.........................................................................11
3.6.2 双面胶的使用.......................................................................................................13
3.6.3 触摸按键 PCB 板与FPC.....................................................................................13
3.6.4 触摸按键PCB 开口设计.....................................................................................13
3.6.5 触摸按键背光设计...............................................................................................14
4. 其他考虑因素............................................................................................................................14
触摸按键应用设计参考
电容感应按键可用于很多应用中，或简单、或复杂。这些接口由感应元件组成，并与触摸感应芯片相连接。感应元件由导电材料组成，如铜。
触摸感应式应用中的布板与物理设计非常重要，并且必须遵循某些通用原则，这些通用原则对所有应用都适用。
1. 触摸按键的功能与原理
1.1 触摸按键的功能
触摸按键和键盘（keypad）的作用一样。与键盘（keypad）不同的是，keypad 通过开关或金属弹片（metal dome）的通断发挥作用，触摸按键通过检测电容的变化，经过触摸按键集成芯片处理后，输出开关的通断信号。
1.2 触摸按键的原理
如下图，是触摸按键的工作原理。在任何两个导电的物体之间都存在电容，电容的大小与介质的导电性质、极板的大小及导电性质、极板周围是否存在导电物质等有关。PCB 板（或者FPC）之间两块铜箔区域就是电容的两个极板，等于一个电容器CSensor。当人体的手指接近PCB 时，由于人体的导电性，会改变电容的大小。触摸按键芯片检测到电容值大幅升高后，输出开关信号。人体感应引起的电容变化⊿C≈0.1～5pF。
⊿C
C0 C0
图1 触摸电容CSensor变化图
振荡器波形
图2 张弛振荡器输出波形图
芯片内置一个不断充电放电的RC张弛振荡器，如果不触摸开关，张弛振荡器有一个固定的充电放电周期。如果触摸开关，等效电容CSensor增加，充电放电周期就变长，频率则相应降低，在固定时间t0内检测到的周期数较原先校准的少，就认为检测到了触摸动作。
2. PCB常规设计指南
为电容感应式应用设计印制电路板时，需要考虑包括与感应电路直接相关的许多问题。整个电路将影响感应元件与其走线的电容。通常，PCB对敏感度有负影响。硬件元器件如电容，连接头，电阻，LED等会增加感应式按键的寄生电容。即使是与感应无关的走线也可能与感应元件产生耦合，从而降低应用的性能。
种种原因说明了在设计电容感应式应用时必须仔细检查和优化整个布板。
2.1 电路板布局
对于触摸键盘，由感应元件及走线覆盖的面积是最重要的。最好将这个面积保持在最小，达到最小化芯片与传感器之间的距离。同时将芯片放在感应元件中间可确保每个传感器引线长度计量一致。
触摸芯片 触摸芯片
正确的布局 不正确的布局
图3 触摸键盘与芯片的布局
2.2 地层
不推荐将传感器的走线放在任何电源层上。在传感器下面的地层或电源层会增加对地的寄生电容，并降低灵敏度。
如果有干扰源出现一定要将地层放在传感器下面时，地层必须使用十字交叉形以保证铜的覆盖率小于40%(图6)，覆铜的线和传感器连接线不能平行，这样可以减少寄生电容，并置于最远的一层，以降低对地的寄生电容，同时保证较好的屏蔽效果。
在PCB背面如果有强烈的干扰源下，传感器区域下放可以加地层来防止干扰源干扰，但是这种情况需要尽量避免。
图 4 传感器下方不覆铜
图5 传感器下方不覆铜 其他地方覆铜
图6 传感器下方覆铜
为了避免感应区域的二次辐射及减少不期望的影响，应保持浮动金属远离传感器信号(图7)。
图7 浮动的铜箔需要去除
2.3通讯线的隔离
不要将电容感应的走线靠近通讯线，如I2C或主SPI。通讯线的频率可影响电容传感器的性能。
如果必须将通讯线靠近传感器引线，通讯线和传感器引线应在不同层，并且保证安全间隔。如图8所示。
如果通讯线必须穿过传感器引线，要求通讯线与传感器引线相交叉，应确保交叉是垂直
图 4 传感器下方不覆铜
图5 传感器下方不覆铜 其他地方覆铜
图6 传感器下方覆铜
为了避免感应区域的二次辐射及减少不期望的影响，应保持浮动金属远离传感器信号(图7)。
图7 浮动的铜箔需要去除
2.3通讯线的隔离
不要将电容感应的走线靠近通讯线，如I2C或主SPI。通讯线的频率可影响电容传感器的性能。
如果必须将通讯线靠近传感器引线，通讯线和传感器引线应在不同层，并且保证安全间隔。如图8所示。
如果通讯线必须穿过传感器引线，要求通讯线与传感器引线相交叉，应确保交叉是垂直
相交的，如图9所示。
错误-间距过小 一般 最好
图8传感线与通讯线位于同层的处理
图9传感线与通讯线位于不同层的处理
2.4 电源
触摸IC测量的是电容的微小变化，要求电源的纹波和噪声要小，要注意避免由电源串入的外界强干扰。尤其时应用于电磁炉、微波炉时，必须能有效隔离外部干扰及电压突变，因此要求电源由较高稳定度。
触摸电路部分建议采用独立的电源供电，电源部分应放得离传感器走线和传感设备尽可能远，并和触摸芯片在同一块PCB上。如果需要共用电源部分电路的工作电流小可以才可以共用，触摸芯片的供电最好加装滤波电路（见图10）。
图10 电源滤波参考电路
3. 感应盘电极与元件的设计
好的PCB布线可减少来自于非感应元件的影响，非感应元件不包括导电材料(如铜)，这些可能会影响到按键，滑动条及触摸板的灵敏度。
设计PCB板时，应考虑下列几点：
●至电极的走线应尽可能短(如果可能，应小于100mm)
●在PCB工艺可达到的情况下，线宽应尽可能小(推荐3~4mil宽) ●应保证无源负载尽可能靠近芯片
●对于触摸按键，与相邻按键走线的间距应至少1mm以上
●PCB布板的目的在于减少元件之间的相互影响，即使不能减到最小，也应该使它们对于所有电容式元件的影响是相同的。
图11 距离定义
3.1 按键
一个表面电容按键由一个与触摸芯片相连接的单端铜电极组成。它不需要有太高的灵敏度，只需能够识别手指的触摸与否。 3.1.1 形状
任何形状的按键均可用于电容感应式触摸中，如图12所示。不同的形状不会影响感应的性能，仅与板子的美观程度有关。
图12 按键形状
3.1.2 尺寸
在其它条件都相等的情况下，通常按键越大越好。两个使用相同走线与触摸芯片连接的按键，如果它们的大小不同，则灵敏度也将不同。
小的按键因其表面积小，触摸电容(Csensor)也很小，相应地灵敏度会较差。按键过大并不会显著提高Csensor。但是，将按键面积增大至与触摸物(手指，拇指等)相当，则会显著提高Csensor。
图13 按键尺寸与手指尺寸
对于手指感应，推荐按键的直径至少为0.4英寸(10mm)。较小的按键也可工作，但性能较差。大的按键灵敏度较高，但感应式触摸物的有效接触面积决定了按键尺寸的上限。传感电极面积必须在有效范围内使用，传感电极（electrode）面积增大到一定程度后，面积的继续增加几乎不能对灵敏度产生影响，反而可能引发容易受到干扰。
按键感应盘的大小：最小4mmX4mm（或直径4mm）, 最大25mmX25mm（或直径25mm）。 按键感应盘大小要根据键盘的距离以及感应灵敏度设置等来决定，设计时要避免拇指效应出现，要让感应盘相邻的的距离保持有适当的距离。
感应盘尺寸和等效电容： 感应盘形状 圆形（直径） 四边形 八边形 滑动条
3.1.3 按键和引线的间距
按键可以相互邻近，但如果节距太小，相互之间太过靠近，则会带来不期望的相互影响。其间距见图11。
推荐间距：
‐ 键盘间距如果是3cm，其引线要有1mm 线距 ‐ 键盘间距如果是5cm，其引线要有1.5mm 线距 ‐ 键盘间距如果是7cm，其引线要有要有2mm 线距
‐ 键盘间距如果是>7cm，其感应盘和引线之间，要有GND 线隔离（见图14）
最小尺寸 4mm 4 mm X4mm 4 mm X4mm 8 mm X8mm
典型尺寸 10mm 10 mm
X10mm10 mm X10mm12 mm X12mm
最大尺寸 25mm 25 mm X25mm 25 mm X25mm 25 mm X25mm
等效电容(参考值) 4~6pF 4~8pF 4~8pF
6~8pF（每个触摸盘）
图14 键盘间距大于7cm布线图
3.1.4 按键‐地的间隙
如果可能，地层不应与感应元件放在同一层，只有在感应盘间距比较大的情况下才考虑布GND隔离。如果地层与感应元件太近，将会增加电容并影响对手指存在与否的检测。原则上感应盘和其引线与GND的距离需要保证大于3mm（见图11）。
3.2 滑动条
滑动条由排成一排且分别与触摸芯片相连接的一组相互毗邻的电容感应式个体组成。通常滑动条是线性的，沿着一根轴线移动。
它可以由5或8个元件组成，取决于所需的尺寸与分辨率。 滑动条使用相邻感应盘同时感应来确定感应物的中间位置。 3.2.1 滑动条尺寸与布板
对于滑动条有多种不同设计，尺寸与目标应用决定了滑动条的布板。 为确保一个感应盘与2个感应盘的同时感应，每个感应盘以及间距应有适当的距离，以使手指与其边界重叠。同时要避免同时出现3个感应盘同时感应的情况出现。
1 2 3 4 5 6 7 8 9
S0 S1 S2 S3 S4
图15 5个感应盘组成的滑动条
如图15，把方形触摸按键按顺序紧密排列在一起，即可以设计成触摸状态滑动条。当检测到某传感通道处于开启状态时，就能确定手指在触摸滑动条上的位置。在上例中，使用了S个传感通到来检测9个位置。如果Sl和S2通道同时处于开启状态，就意味着手指的位置位于位置2。
触摸位置
1 2 3 4 5 6 7 8 9
传感器感应 S1 S1，S2 S2 S2，S3 S3 S3，S4 S4 S4，S5 S5
滑动条元件与周围地层的间距要求与按键相同。
对于覆盖有2～3mm的丙稀酸塑料层外壳的应用．建议使用最小尺寸为10×10mm 的感应盘电极。滑动条传感器之间的间隙值建议为0.75mm。两个相邻传感电极之间的间隙约1mm，这是为了确保当手指正好位于间隙内时，两个传感器通道能够同时开启。
3.3 滚轮
如图16滚轮示例(8个触摸盘)，与滑动条相同，滚轮也是由一组与触摸芯片引脚分别相连接的相互毗邻的感应盘(排成一圈)组成。它由5或8个元件组成，可以交替排列，也可直接连接。
图16滚轮触摸
其设计要求和滑动条相同，5个感应盘可以实现10个等级的分辨率，8个感应盘可以实现16个等级的分辨率。
触摸位置
1 2 3 4 5 6 7 8 9
传感器感应 S1 S1，S2 S2 S2，S3 S3 S3，S4 S4 S4，S5 S5
触摸位置 10 11 12 13 14 15 16
传感器感应 S5，S6 S,6 S6，S7 S7 S7，S8 S8 S8，S1
3.4 触摸应用中的走线
触摸感应芯片与传感器之间的走线会增加按键电容并降低信号，从而降低传感器的灵敏度。走线长度会降低灵敏度，因为它会增加感应电路的并联电容。走线长度也会增加噪声，因为走线同时会受内部电路与外部噪声环境的影响。
缩短从触摸芯片至传感器之间的走线长度可降低其它元件与走线产生耦合的风险。触摸感应触摸芯片与传感器之间的走线应尽可能短。建议连线长度小于100mm。 3.4.2 宽度
线宽会增加整个系统的铜覆盖面积，从而增加传感器的电容。同时也会增加与其它层上元件的耦合。因此，走线应尽可能细小，且远离地层。建议宽度3~4mil。
3.5 LED的使用
在用户板上，常常需要LED靠近电容感应式按键。当设计带LED的应用板时，必须考虑以下因素：
●LED的开/关会改变电容值
●LED开/关时其走线会改变阻抗值 ●LED负载电流会影响电源轨道电流 3.5.1 LED设计在感应盘附近
如果LED靠近传感器，且经常被点亮，建议使用一个电容(小于1nF)旁路LED或其驱动器走线。
LED的两端必须为低阻抗通路至地(或电源)。否则，LED必须使用旁路电容以抑制高阻抗。
LED以及LED走线必须保证与触摸盘和触摸盘连线保持大于4mm距离。 图10所示的LED旁路电容的用法同样适用于晶体管。
图17 LED旁路电容示例
3.5.2 LED开孔
如果用户要求LED指示灯在触摸盘的范围内，这就需要在PCB上开孔，使 PCB 下方的光线可以通过挖空导到PCB 上方，照亮面板上的字符。这种设计需要使用到导光材料，使光线通过导光材料传导到开孔位置照亮面板字符。
最大的开孔尺寸与触摸盘大小有关，见下表：
触摸盘直径 5mm 6mm >8mm
最大开孔尺寸
2mmX1.6mm(或直径2mm) 2.8mmX1.2mm(或直径2.1mm) 4mmX2mm(或直径3.1mm)
需要注意开孔尺寸过大可能影响其灵敏度，以上尺寸仅供参考。
特殊情况下，用户为了降低成本或使结构简单，还可以采用LED通过开孔直接照亮面板字符。此方式可能造成干扰需要调整感应的灵敏度与之适应，不推荐使用。如图18所示。
感应电极
图18 LED直接照亮字符示图
3.6 触摸按键的结构设计
3.6.1 面板的材料、厚度与表面处理
面板材料可以是塑料和玻璃等非导电物质，最常用的是PMMA。但是上面不能有金属。按键正上方1mm 以内不能有金属。触摸按键50mm 以内的金属必须接地，否则，金属会影响按键的灵敏度。
在采用电镀、蒸镀、IMD、丝印等表面处理工艺时，要特别注意。
（1） PMMA, PC, 玻璃等面板材料的电镀性都不好，所以不会采用电镀工艺。
（2） 蒸镀/溅镀(VM): 由于蒸镀/溅镀具有金属属性，它们对触摸按键灵敏度有影响。在采用蒸镀/溅镀工艺时，必须注意触摸按键的正上方1mm 以内不能镀。注意这有可能会影响 ID 效果。需要在ID 与触摸按键之间平衡。
（3） NCVM（不导电电镀）不影响触摸按键。这是经过实验检查的结果，所以NCVM 可以用在触摸按键的面板上不受任何限制。
（4） 丝印/移印：如果丝印/移印具有Mirror 效果的油墨，这种油墨中都含有金属离子，具有金属属性，所以这种油墨会影响触摸按键的灵敏度。这种情况与VM 类似，必须注意触摸按键的正上方1mm 以内不能印刷。
面板的厚度不超过2mm，1.5mm 以内更好。根据触摸按键的工作原理，面板的厚度是越薄越好。所以触摸按键的面板厚度在1.0~15mm 之间。
触摸感应应用中的表面覆盖物一定不能为导体。当金属或其它导电物质放在两个导电盘之间时，如手指与传感器之间，不能够形成电容的电介质。
平板电容的电容值由公式1给出。
公式1:
简单的平板电容的几何模型与比值A/d相关。A为导电平板的面积，d为平板之间的距离，
εR为传感器之间材料的介电常数，ε0为自由空间的介电常数。
电容感应式传感器的几何模型比平板电容要复杂得多。传感器中的导体包括手指和PCB铜板。通常，电容感应式系统的几何模型与函数f(A，d)相关。公式2给出了介电常数与系统电容之间的关系。
公式2
与平板电容相同，传感器的电容与εR成正比。
各种表面材料如下表列出了一些常用表面材料的介电常数。介电常数高的材料可更好地传播电场，更适用于电容感应式应用。
常见材料的介电常数
材料
空气 玻璃 石英玻璃 云母 尼龙 树脂玻璃 聚乙烯 聚苯乙烯 聚乙烯酯(PET) FR4(玻璃纤维+环氧) PMMA(聚乙烯甲基丙烯酸酯) 典型的PSA(胶)
1.00059 4至10 9至10 4至8 3 3.4 2.2 2.56 3.7 4.2 2.6至4 2.0-3.0(大约)
εR 介电常数
对于由多种材料堆叠而成的表面，随每层材料的不同而具有不同的灵敏度。
例如，由塑料(PMMA)+胶+PCB组成的表面比由塑料(PMMA)+空气+PCB组成的表面灵敏度要好。因为前者介电常数约为（2.6+2），后者介电常数为(2.6+1)。
介电常数为1.0的空气不适合电容感应式应用。因此，不建议在传感器与表面材料之间存在空隙。
面板的厚度厚度与灵敏度成反比，在设计结构时需要考虑到这点。滚轮与滑动条需要较高的灵敏度，因此表面材料厚度必须较小(约1毫米)。
按键可支持较厚的表面材料(最大15毫米)。 3.6.2 双面胶的使用
为了减少感应电极与面板之间的空气，触摸按键感应盘与面板通过双面胶粘接。双面胶的厚度取0.1~0.15mm 比较合适，推荐采用3M 468MP，其厚度0.13mm。不建议使用普通双面胶。
因为空气的介电系数为1，与面板的介电系数相差很大。空气会对触摸按键的灵敏度影响很大。所以双面胶与面板，双面胶与感应电极粘接，都是触摸按键生产装配中的关键工序，必须保证质量。
（1） 首先感应电极与双面胶粘接，要用定位夹具完成装配，装配完成后，要人工或者用夹具压紧。
（2） 在安装好双面胶的PCB与面板装配时，要求有定位装置，可以是夹具或者结构自身的限位。装配到位后，压紧最重要。批量生产中，需要用夹具压紧。如果不能压紧，触摸按键的灵敏度和可靠性就会降低。
为了保证感应电极触摸盘与面板之间没有空气，如果电极范围内的PCB有开孔，需要在双面胶上开孔和排气槽，并且PCB 上开孔配合。
设计双面胶压紧夹具时，重点压触摸按键的部位，确保 Sensor 部位没有空气。实际证明，一些不灵敏、不稳定的按键，重贴双面胶并压紧后就好了！
双面胶的使用位置建议只贴在感应电极上，引线和其他信号走线上建议不要粘贴，同时需要考虑到装配便于压紧和PCB的安装平衡。 3.6.3 触摸按键 PCB 板与FPC
从理论上，触摸按键无论做在 PCB 板还是FPC 上都能工作。事实上也有多个触摸按键做在FPC 上的例子。首选的方案是PCB 板，如果因为结构限制，PCB 板实在困难，不得已才采用FPC。即使采用FPC，与触摸按键芯片配合的地方必须是平面，因为芯片不能弯曲与扭曲。
FPC 与曲面粘胶配合，实际加工装配中不如PCB 与平面粘胶配合可靠，故导致触摸按键的可靠性降低。对于弧面的面板，为了能够使用使用触摸按键PCB 而不是FPC，要将与触摸按键PCB 配合的部位设计为平面。为了能够使用PCB 而不是FPC，在与触摸按键板配合的地方设计成平面，平面与周围弧面处通过曲面圆滑过渡，成功解决了背面丝印并且能够 与PCB 配合。
3.6.4 触摸按键PCB 开口设计
触摸按键背光是重要的方面。背光设计不好，会对整个触摸按键都有影响。
首先 PCB 板的开孔尺寸确定，PCB 开孔尺寸必须根据面板上字符的大小决定。PCB 开孔尺寸比字符周边大0.1~0.3mm。
设计不好的例子：如果开孔尺寸比字符小，这透过字符的空隙，可以看到开孔以内的物体，和开孔以外的物体，即PCB 板的绿色。这样会产生非常不好的视觉效果，给人以设计粗糙、产品低档的感觉。
3.6.5 触摸按键背光设计
触摸按键背光有三种方案，下面分别介绍。
(1). LED + 反光膜
作用是密封作用，灰尘不会进入面板赃污字符；另一个作用是支撑作用，支撑PCB 紧贴着面板，防止PCB 从面板脱落。
(2). LED + 导光膜
导光膜是一种透明导光的薄膜材料，厚度在 0.1~0.2mm 之间。在按键的位置，印刷有特殊的透光油墨，光线从这里垂直于导光膜向上射出。
导光膜紧贴于PCB 背面。在PCB 背面布置2 个以上侧发光LED 灯，LED 的光线照入导光膜内，在字符处射出，形成触摸按键的背光。
如果 LED+导光膜方案的背光亮度不够，可以在导光膜的背面再加一层反光纸。这种方法比第一种方案背光效果好。光线更均匀，省电。缺点是各个按键的背光不能单独控制， 要亮都亮，要不亮就都不亮。
如果透过面板的光线太强，感觉光线刺眼。硬件上可以通过调节LED 的电流调节等的亮度。结构上可以通过半透效果使光线变得柔和。Tinted的程度（遮光率）在30%~60%之间。太高则可视性差，太低则效果不明显。60% tinted 意味60%的光线被挡住了，只有40%的光线可以透过。
1）采用tinted 面板。由于面板身具有半透的效果，穿过面板的光线减少，降低光的强度。同时透过面板，看设备内面的物体的清晰度也降低。
2）在字符上加印一层半透油墨。字符处效果与上同，面板其它地方的透光率不变。等于局部tinted。
(3). LED直接照亮面板
这种方式的具体设计见3.5.2节和图18。这种方式的确定是LED灯可能对感应PAN形成干扰，需要仔细调整芯片的灵敏度并注意LED安装和布线的距离。此方案不推荐使用。
要特别注意，透过面板接看到LED，就会刺眼。所以设计时，要注意这点。
4. 其他考虑因素
按照这些基本的设计参考进行PCB设计和布局，能够使电容感应应用更加可靠。在PCB设计中，还要考虑其他的重要因素．包括以下几方面。
·PCB上无浮板／极板。PCB的空白区域可填充接地铜箔或留空。
·PCB应当设计成所需要的参考电容值小于20 pF(该参考电容值是在硬件调整期间确定的)，并且各个通道的固有电容应小于10pF。如果大于此值， 则需要修改某些基本布局，如降低接地铜箔的密度，扩大感应输入线／电极到接地铜箔的间距，缩小传感器信号迹线的宽度，甚至去除接地铜箔。如果感应输入电容的最大值超过10pF，则需要使用调谐电容进行匹配设置。
·尽可能地把各个感应通道之间的固有电容的差别控制在10pF以内(可在硬件调整期间测定这一差别)。如果超过10pF，需要降低感应输入线的长度和传感器电极尺寸的失配，来进行重新布局以便把差别降至最低。
·在I2C SDA~SCL线路中安装串联电阻器，以便过滤连接主板和触摸模块的线束所引起的噪声干扰，或来自可能导致I2C信号失真的电源噪声的干扰。
·面板和PCB 的安装通常有3种方式，上面只说明了一种方式。三种方式如下：
1：使用带弹簧的感应盘，将感应盘顶在面板上。
2：使用导电橡胶或导电棉，导电棉或导电橡胶顶端作为感应盘紧贴在面板上。 3：将感应盘用双面胶紧密粘在面板上。
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