关于电容触摸式汽车中控面板的关键技术的分析

关于电容触摸式汽车中控面板的关键技术的分析

崔峰

浙江万超电器有限公司 浙江温州瓯海区 325016

摘 要：中国汽车市场争夺日趋激烈，电容触摸式汽车智能化逐渐成为汽车发展研究重要内容，汽车中控面板正是其中一项核心技术，包含信息娱乐系统、暖风/空调系统、导航系统、座椅功能等，属于人机交互重要器件。基于此，文章对目前汽车中控面板进行介绍，并深入分析电容触摸式汽车中控面板关键技术，以期为电容式触摸中控面板研究优化提供一定参考。

关键词：电容触摸式；汽车；中控面板；关键技术

2012年，特斯拉发布Model S搭载17寸电容触摸屏，驾驶员几乎可以借助显示屏操控所有车载功能，成为当时所有量产车型中最亮眼的一款车型，也标志着汽车大屏和智能化时代的到来，现如今，将电子技术与汽车领域融合发展已经成为现代化汽车发展重要环节。

1 汽车中控面板介绍

现如今，汽车中控面板主要分为机电容触摸式和机械式按键两种类型，其中，机械式按键主要由各种机械按键组成，通过机械受力按压进行控制，常用的机械开关方式为MCU芯片判断或者直接大电流进行控制；电容触摸式是当前汽车发展主流，通过触摸区电容传感器电容值及控制器进行判断，确定是否有人手或其他物品靠近，并决定下一步操作^[1]。汽车中控面板从上世纪七十年代开始发展，以阴极射线管屏幕器及LED显示屏为主，如阿斯顿·马丁1979年就在其产品上直接配备了LED显示屏，1986年，别克首次使用了触摸屏，通过绿黑两色阴极射线管显示屏显示仪表信息，到2020年，奔驰发布第二代MBUS系统，共配备了五块触控屏，搭载有指纹识别、面部识别及AR增强现实功能的导航系统，未来，随着汽车技术的革新发展，智能汽车产品中控面板用途将会越来越多，电容触摸式汽车中控面板将成立历史发展必然趋势。

2 电容触摸式汽车中控面板关键技术

2.1 电容触摸传感技术原理

电容式触摸式汽车中控面板其触控板主要由一片镀有导电膜的玻璃基板组成，基板上覆盖一层上电极通过与人体接触构成平板电容感测电容变化，并在其上电极板上覆盖一层SiO₂介质层，还有下级板用来屏蔽外界信号干扰^[2]（如图1）。

图1 电容式触控面板

电容式触控面板工作原理，上透明电极在工作时需要连接电压，并在四个角上引出四个电极，当手指触碰面板，及SiO₂介质层时，基于人体导电功能，人体与上透明电极相互连通产生一定耦合电容，然后根据与四个角测量的电容值变化计算触控位置坐标^[3]。目前，较为流行的触控传感技术主要分为自电容和互电容。倘若使用的是自电容技术，当手指接近传感器电极时，会直接扫描每个电机电容，检测电容量增加，其优势在于精准灵敏度高，可以做成Single layer ITO膜，应用范围较广，但也存在易遭受寄生电容效应影响、不适用存在气隙的情况下等不足；倘若使用的是互电容技术，就需要两层ITO（氧化铟锡）膜层，两个单独电极，通过手指接近电极之间力线的减少进行检测，只要配备良好信号调节设施，就能实现更远距离操作，且不受寄生电容效应影响，能够更好地处理气隙和复杂应用环境。但无论是自电容还是互电容技术，都需要通过人体将电容传导至电极上，在实际应用时，可综合考虑使用性能、安全性能、技术能力和经济情况等选择适宜技术。

2.2 中控面板覆盖面材质

中控面板覆盖面，是保护PCB版表面焊盘不被手指或外界破坏，在其表层增加的一种覆盖层，传统覆盖层包含玻璃、陶瓷玻璃、聚酯薄膜、树脂玻璃、ABS（丙烯腈）等，在选用覆盖层材料时既要完全贴合传感器表面，减少空气，又要选择介电系数较高的材料，以确保面板灵敏度，相关研究数据表明，标准玻璃的介电系数为7.6到8.0 ，陶瓷玻璃的介电系数为6.0 ，聚酯薄膜的介电系数为3.2 ，树脂玻璃的介电系数为2.8 ，ABS的介电系数为3.8至4.5 。同时，覆盖层材料厚度也与灵敏度也有一定关系，一般不能超过1mm，且厚度越薄灵敏度越高

2.3 触摸薄膜技术

电容触摸式汽车中控面板的主要功能之一就是触控开关，驾驶者只需要通过触摸就能对电路开关进行控制，具体来讲就是手指接近开关产生一定电容或者电阻波动，将指令传达给芯片，由芯片开控制开关电路，达到开启或关闭的目的。触摸薄膜技术是电容式触控开关关键技术之一，是触控开关电路所在，通过各种导电材料的不同分布来实现，其主要特征就是按键区域透明部分，便于充分展示其照明特征，触摸薄膜可多次印刷完成，如银浆、碳浆、PEDOT、绝缘保护油墨等，应用触控开关能够让汽车驾驶舱的功能性和表面装饰性更好地结合起来。现如今，各生产厂家对触摸薄膜性能要求逐渐提升，要求其突破传统ITO材料局限性，增加一定拉伸性能，纳米银线、碳纳米棒、metal mesh、石墨烯等材料逐渐应用在触摸薄膜中，但是，不同汽车对耐温性、耐热性、稳定性等方面要求不同，在应用触控开关时应当根据实际情况选择对应触摸薄膜技术。

2.4 电容式触摸传感器

传感器是汽车计算机系统输入装置，能够将汽车运行中的车速、温度、油压、发动机运行状况等信息转化为电信号传输至汽车电子控制单元，对汽车各部件运行进行控制。电容式触摸传感器则属于电容触摸输入感应模块，能够检测任何导电或具有不同于空气的电介质，其技术原理为电容性耦合，人体则被当作电荷导体，一般安装在人手能接触到的开关位置，当传感器附近没有能产生容性的物体时，相当于寄生电容，当人手接近传感器区域时，就会自动感应电容变化，并将变化数据传输至数据处理器^[4]。将电容式传感器应用在汽车中，首先要解决的便是电磁噪声，如电缆线束、电机、交流发电机线圈及其他动力辅助单元，减少这种噪音将有效提升驾驶员和乘坐者体验感，同时，为保障电容式触摸传感器持续可靠性，还需要提升其强固性，确保其不受冲击、震动及高温等恶劣应用环境影响。例如，安森美半导体推出的电容-数字转换器IC，不仅具有消除电容噪声及抑制机制，还具有较大检测范围，为150mm，检测数据精确，能检测到毫微微法拉级(fF)的变化，拥有8个电容感测输入通道，能够满足开关较多的系统。此外，还支持手势识别，具有较高灵敏度，能够应用于更加广泛的场景。

3 结束语

总之，随着汽车技术快速发展，消费者对触摸式中控面板性能和直观性有了更高期待，触摸式控制已经成为提升产品差异化的重要内容，汽车制造商及其技术合作伙伴会逐渐加大对汽车行业触摸式控制研发力度，汽车中控面板关键技术将得到进一步优化和改善。

参考文献

[1]Sven Prawitz编译. 多功能的电容式中控台[J]. 汽车制造业, 2018, (022):P.28-29.

[2]徐晓伟, 张园. 探讨电容触摸屏在汽车上面的应用[J]. 科学与信息化, 2018, (014):20-21.

[3]宋霞, 陈欣宇, 刘双平,等. 一种基于商用车中控屏实现整车开关的结构及方法:, CN110435558A[P]. 2019.

[4]孙腾谌, 庄玮, 匡启阳. 一种用于方向盘键控的电容传感器及车辆方向盘,汽车:, CN208488736U[P]. 2019.