當前觸摸感應在智能設備上的應用已經很普遍了，一個產品加入了觸控感應往往給人以“高逼格”的感覺，其實除了對產品美觀度有提升之外，觸控相較于按鍵還有更多的實用性，例如，在結構方面，觸控感應外表面可以做到密閉，更易做到防水防塵，在可靠性方面，電子式的觸控感應較機械式的按鍵有更長的壽命。本篇就深入探究觸摸感應的原理。
一．觸摸感應分類
按照工作原理及感應介質可將觸摸感應分為電阻式、電容式、紅外式、超聲波式。
1.電阻式觸摸感應：通過改變電阻值來檢測是否觸摸，這種“觸摸”會給下方膜結構一個壓力使其產生“形變”導致層間短路，短路使阻值發(fā)生改變，正是因為需要施加壓力，所以電阻式觸摸可靠性高，不易受外界噪聲干擾，常用在工業(yè)領域觸控屏中。
2.電容式觸摸感應：通過改變電容值來檢測是否觸摸，人體與地之間存在電容，直接或間接觸摸焊盤時會使芯片端口的等效電容值增大，從而使芯片內部波形發(fā)生改變。因為人體對地之間電容容量很小，導致波形變化也很小，因此電容式觸摸對各種干擾會更加敏感，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。
3.紅外式觸摸感應：作者之前寫過一篇文章來介紹紅外感應，紅外感應頭由發(fā)射管和接收管組成，如果障礙物（人手）將紅外光遮擋，一部分反射光將會被接收管接收到，加上外圍信號電路即可識別判定此次遮擋。以此延伸到觸摸屏，如果在一塊四邊形的屏幕上，其中一邊均勻放置發(fā)射管，對邊均勻放置接收管，此時在屏幕上即形成光柵，觸控操作的物體（比如手指）將遮擋若干紅外線，接收端電路經轉換后即可生成觸控的坐標位置，實現(xiàn)對應操作的響應。
4.超聲波式觸摸感應：與紅外式觸摸感應類似，區(qū)別之處在于感應方式傳播觸發(fā)信號的媒介為超聲波。如下圖所示，屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發(fā)生器，右上角則固定了兩個相應的超聲波接收器，屏的四個周邊刻有45度角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。在沒有觸摸的時候，接收信號的波形與參照波形完全一樣，當手指或其他能夠吸收或阻擋超聲波能量的物體觸摸屏幕上時，反應在接收波形上即某一時刻上波形有一個衰減缺口，經過處理芯片內算法計算即可得到相應的坐標。
紅外式觸摸感應和超聲波式觸摸感應從嚴格意義上來講是“遮擋”而非“觸摸”，不過給人的表象是“觸摸”而已，所以本篇文章只對這兩種感應方式作以上簡要介紹，重點介紹電阻式和電容式觸摸感應。
二.電阻式觸摸感應
2.1 原理
電阻式觸摸原理和電位器較為相似，一般應用在電阻式觸摸屏中，所以用“四線式”觸摸屏舉例，它主要由聚乙烯(PET)制成的柔性頂層和玻璃或聚碳酸酯類制成的剛性底層組成，這兩層都涂有一種稱為氧化銦錫(ITO)的透明導電化合物，并由墊片隔開。
當手指觸摸屏幕時，產生壓力，使柔性層發(fā)生形變，兩導電層在觸摸點位置接觸，電阻發(fā)生變化，產生X、Y兩個方向的信號，然后發(fā)送給觸摸屏控制器，控制器檢測到這個接觸并計算出（X，Y）的位置，然后按照模擬鼠標的方式進行操作。
計算觸點的（X，Y）坐標分為如下兩步：
- 計算Y坐標：在Y+電極施加驅動電壓Vdrive，Y-電極接地，X+作為引出端測量得到接觸點的電壓，由于ITO層均勻導電，觸點電壓與Vdrive電壓之比等于觸點Y坐標與屏高度之比；
- 計算X坐標：在X+電極施加驅動電壓Vdrive，X-電極接地，Y+作為引出端測量得到接觸點的電壓，由于ITO層均勻導電，觸點電壓與Vdrive電壓之比等于觸點X坐標與屏寬度之比。
2.2 感應信號處理電路
三.電容式觸摸感應
3.1 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(huán)境不變的情況下，該感應電容值是固定不變的微小值。當有人體手指觸摸按鍵時，人體手指與大地構成的感應電容容值大概5-15pF，和焊盤與大地構成的感應電容并聯(lián)，導致總感應電容值增加。電容式觸摸按鍵IC在檢測到某個按鍵的感應電容值發(fā)生改變后，將輸出某個按鍵被按下的確定信號。
3.2 感應信號處理電路
檢測電容變化的方式有兩種：諧振式和SLOPE式，通俗來講就是檢測頻率的變化和充放電時間的變化。
方式一：芯片內部為比較器電路，比較器的正輸入端接到了一個電阻網絡，比較器的負輸入端接到了電阻RC與感應電容之間，比較器所接的電阻網絡為比較器提供了參考電壓，而這個參考電壓又受到了比較器輸出反饋的激勵，其震蕩頻率可由以下公式計算：
當手指接觸觸摸按鍵以后，Csensor的值將會改變，于是fosc隨之改變，芯片內部程序根據計算規(guī)定時間內上升沿或下降沿的個數是否達到閾值，來判定是否“按下”按鍵。
方法二：首先由GPIO Load對電容Cx進行充電，同時開啟定時器計時，隨著充電進行，當達到GPIO Acq設定的閾值電壓Vref時停止計時，這樣就可以計算充電時間，當手指接觸觸摸按鍵以后，Cx的值將會改變，充電時間會變長，通過計算充電時長是否達到閾值，來判定是否“按下”按鍵。
3.3 設計注意事項:
前面文字提到，電容式觸摸易受干擾，那么在電路設計時應該遵循規(guī)則來將電路方面的干擾降到最低，以下為常用的一些規(guī)則，另外部分廠家的芯片應用手冊中也有設計規(guī)則可以參照。
1.感應盤到觸摸芯片的連線盡量短和細，如果PCB工藝允許盡量采用5mil的線寬；
2.感應盤到觸摸IC的連線不要跨越其他信號線，尤其不能跨越強干擾、高頻的信號線；
3.感應盤到觸摸IC的連線周圍0.5mm不要走其他信號線；
4.如果使用PCB板上的銅箔圖案做觸摸感應盤，盡量使用雙面PCB，觸摸芯片和感應盤到IC引腳的連線應放在感應盤銅箔的背面（BOTTOM），感應盤應緊貼觸摸面板；
5.觸摸IC及其相關的外圍電路要用45度網格鋪地，網格中銅的面積不要超過總面積的40%，連線周圍0.5mm不能鋪地，感應焊盤和鋪地至少保持10mm的距離，感應焊盤正對的背面不允許鋪地，也不允許有大面積的銅箔和其他信號線。
以上介紹了四種常用的觸摸感應方式，如果各位有什么疑問，歡迎在留言區(qū)交流。