电容感应基本原理及在汽车中的应用

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科幻影片中的图像往往突破现实的限制,如电影Minority Report.中,汤姆·克鲁斯使用多点触摸屏浏览信息。电容感应技术改变了我们与设备的交互方式。我们不再使用简单的按钮或开关。我们可以在触摸屏上触摸,滑动或者缩放数据本身,与其进行交互。科幻电影中看似遥远的界面已经不再是虚幻的了。事实上,他们已经存在并设计到了各种应用中,包括汽车。

多点触摸感应是电容感应的延伸,电容感应使得触控技术变得更加直观,可以同时检测到多个手指并能识别手势。本文中将介绍电容感应基本原理以及电容感应技术在汽车应用中的改进。在介绍了多点触摸屏/轨迹板的结构和内部操作之后将会探讨多点触摸感应给人机界面(HMI)所带来的改变。

多点触摸感应

多点触摸系统的核心是一对相邻电极组成的电容感应。当一个导体如手指接近这些电极时,两个电极之间的电容就会增加(见图1),可以通过微控制器检测到。另外,电容感应还可用于接近感应,传感器和用户身体并不需要接触到。这可以通过提高传感器的灵敏度来达到。

 

图1:电容感应原理

电容感应越来越多的用来取代机械按钮,旋钮,汽车系统中,触摸按钮和滑条(见图2)可以用于车载娱乐、开关后备箱、采暖通风&空调控制(HVAC),以及被动式无钥匙进入传感器(PKE)。机械部件和凹槽(需要更复杂的模具,容易进入灰尘等等) 的数量减少了,提高了可靠性并降低了系统成本。


图2

触摸屏&轨迹板:

触摸屏使得用户直接"触摸"设备的应用功能,从而减少对外部按钮的依赖。同样的,在轨迹板上,用户也可以使用本能动作与系统进行交互,例如触摸、轻击、缩放、拖曳。触摸屏主要有三种形式:单点触摸,多点触摸识别手势,多点接触识别位置(见图3)。

单点触摸触摸屏主要是电阻式触摸屏,在同一区域定位屏和按钮。电阻式单点触摸屏的局限是一次只能检测屏幕上的一个手指,手势识别能力有限,传感器容易磨损,性能较差。

这些限制带来了投射式电容技术的发展,多点触摸手势触摸屏就是基于这个原理。多点触摸手势触摸屏不依赖于压力来检测用户交互。他们也能够支持同时多点触摸手势识别和跟踪,方便机器屏幕和浏览网页。

多点接触识别位置指的是触摸感应表面(轨迹板/触摸屏)能够同时识别接触表面上的两个或两个以上的点。用户双手有十个手指,车上有多个乘客时数量会增加。音乐浏览,地图操纵,身体的电子控制如座椅位置这些都是汽车应用的例子,这些都是触摸屏很好的应用。

汽车上的轨迹板方便驾驶员操作系统,如导航和音频子系统,无需伸到中心控制台。轨迹板可以识别字符,不再需要字母数字键。

 

图3:触摸屏类型

触摸屏的覆盖物有玻璃和塑料,下面是两层透明的导体比如铟锡氧化物(ITO),他们由绝缘材料分离(见图4)。ITO层的制式形成了电容栅格。ITO层透明度极高,有助于触摸屏更明亮、更容易阅读。由于不需要压力来检测触摸,所以屏幕更耐用。

在轨迹板中,也有类似的电容式传感器结构,只不过系统有一个不透明的保护层,简单的铜层就是传感器。

 

图4 :触摸屏分层

扫描触摸屏传感器,可以检测传感器电容的任何变化,从而检测到手指触摸。分析这些数据可以识别手势,手指范围,手指运动方向。系统还可以驱动输出设备如LED,或着控制电机。

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