電容感應的基本原理解析

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電容感應的基本原理解析

發表於 2019-08-13 14:28:08

科幻影片中的圖像往往突破現實的限制，如電影Minority Report.中，湯姆·克魯斯使用多點觸控螢幕瀏覽信息。電容感應技術改變了我們與設備的交互方式。我們不再使用簡單的按鈕或開關。我們可以在觸控螢幕上觸摸，滑動或者縮放數據本身，與其進行交互。科幻電影中看似遙遠的界面已經不再是虛幻的了。事實上，他們已經存在並設計到了各種應用中，包括汽車。

多點觸摸感應是電容感應的延伸，電容感應使得觸控技術變得更加直觀，可以同時檢測到多個手指並能識別手勢。本文中將介紹電容感應基本原理以及電容感應技術在汽車應用中的改進。在介紹了多點觸控螢幕/軌跡板的結構和內部操作之後將會探討多點觸摸感應給人機界面（HMI）所帶來的改變。

多點觸摸感應

多點觸摸系統的核心是一對相鄰電極組成的電容感應。當一個導體如手指接近這些電極時，兩個電極之間的電容就會增加（見圖1），可以通過微控制器檢測到。另外，電容感應還可用於接近感應，傳感器和用戶身體並不需要接觸到。這可以通過提高傳感器的靈敏度來達到。

圖1：電容感應原理

電容感應越來越多的用來取代機械按鈕，旋鈕，汽車系統中，觸摸按鈕和滑條（見圖2）可以用於車載娛樂、開關後備箱、採暖通風&空調控制（HVAC），以及被動式無鑰匙進入傳感器（PKE）。機械部件和凹槽（需要更複雜的模具，容易進入灰塵等等） 的數量減少了，提高了可靠性並降低了系統成本。

圖2

觸控螢幕&軌跡板：

觸控螢幕使得用戶直接「觸摸」設備的應用功能，從而減少對外部按鈕的依賴。同樣的，在軌跡板上，用戶也可以使用本能動作與系統進行交互，例如觸摸、輕擊、縮放、拖曳。觸控螢幕主要有三種形式：單點觸摸，多點觸摸識別手勢，多點接觸識別位置（見圖3）。

單點觸摸觸控螢幕主要是電阻式觸控螢幕，在同一區域定位屏和按鈕。電阻式單點觸控螢幕的局限是一次只能檢測屏幕上的一個手指，手勢識別能力有限，傳感器容易磨損，性能較差。

這些限制帶來了投射式電容技術的發展，多點觸摸手勢觸控螢幕就是基於這個原理。多點觸摸手勢觸控螢幕不依賴於壓力來檢測用戶交互。他們也能夠支持同時多點觸摸手勢識別和跟蹤，方便機器屏幕和瀏覽網頁。

多點接觸識別位置指的是觸摸感應表面（軌跡板/觸控螢幕）能夠同時識別接觸表面上的兩個或兩個以上的點。用戶雙手有十個手指，車上有多個乘客時數量會增加。音樂瀏覽，地圖操縱，身體的電子控制如座椅位置這些都是汽車應用的例子，這些都是觸控螢幕很好的應用。

汽車上的軌跡板方便駕駛員作業系統，如導航和音頻子系統，無需伸到中心控制臺。軌跡板可以識別字符，不再需要字母數字鍵。

圖3：觸控螢幕類型

觸控螢幕的覆蓋物有玻璃和塑料，下面是兩層透明的導體比如銦錫氧化物（ITO），他們由絕緣材料分離（見圖4）。ITO層的制式形成了電容柵格。ITO層透明度極高，有助於觸控螢幕更明亮、更容易閱讀。由於不需要壓力來檢測觸摸，所以屏幕更耐用。

在軌跡板中，也有類似的電容式傳感器結構，只不過系統有一個不透明的保護層，簡單的銅層就是傳感器。

圖4 ：觸控螢幕分層

掃描觸控螢幕傳感器，可以檢測傳感器電容的任何變化，從而檢測到手指觸摸。分析這些數據可以識別手勢，手指範圍，手指運動方向。系統還可以驅動輸出設備如LED，或著控制電機。

支持十個手指的電容式觸控螢幕和軌跡版越來越多的用在汽車上，被各種各樣的汽車系統用作綜合界面。多點觸摸識別位置感應系統還允許車內的多個用戶同時訪問觸控螢幕。此外，汽車網絡協議如CAN/LIN，可以集成分布式機電系統到中央控制臺。這使得人機界面設計者可以在控制臺協調各子系統的運行，用統一風格的用戶界面來創建人機界面，增加了靈活性，同時開發人員可以在外觀和感覺方面有更大的設計空間。

多點觸摸識別位置感應可以創建直觀的，美觀的顯示界面，更有競爭力。隨著尺寸的增加和處理能力的增強，觸控螢幕和軌跡板越來越深入人心，他們最終成為汽車界面的選擇。

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