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1. 序言
隨著智能觸控和智能表面概念在汽車應用上的興起，純電容觸控技術被廣泛應用于汽車內外飾應用中，替代傳統機械按鍵，在一定程度上提升了汽車人機交互體驗感和科技感，但隨著越來越多各類人機交互應用場景的出現，以及基于傳統純電容方案大規模進入汽車走向市場，單純的電容觸控方案的弊端從開發側到用戶側越來越顯現出來，包括按鍵誤觸問題，多按鍵盲操問題，水的誤觸發問題，EMC抗干擾問題等等都對智能觸控和智能表面在汽車上的更大規模應用與普及構成了一定的障礙。行業也都在積極思考如何在可接受的成本范圍內，通過技術迭代改進解決現有痛點，提升方案的可靠性。
泰矽微所倡導的壓感+電容雙模3D觸控芯片及整體方案正是在這樣的大背景下應運而生的。整體方案構成包括由泰矽微開發的車規級專用人機交互MCU和來自于深圳紐迪瑞公司開發的基于惠斯通電橋原理的車規級壓力感應柔性傳感器。整體方案解決了現有純電容觸控存在的所有痛點，且成本可控，具備較強的可生產性。方案所包含的芯片和傳感器均已通過相關AEC-Q100/200測試認證。本文接下來的篇幅將會更詳細的展開介紹相關方案的市場，技術及應用情況。
本材料面向從事汽車人機交互，智能內外飾件相關應用的技術及市場人員，汽車相關行業分析師及行業投資機構等。希望能給行業帶來一定的參考價值。 ?
2. 市場縱觀和需求分析
2.1? ? ?智能按鍵和智能表面市場概述
隨著新能源技術的發展，汽車動力系統已經越來越難以實現差異化， 汽車行業的發展由過去基于機械和內燃機系統的動力系統的競爭演變為智能化，舒適化，科技感等的競爭，隨之帶來的是整個生態系統的快速演變。
智能按鍵和智能表面作為汽車智能化的重要部分，目前正處于快速發展階段，隨著由儀表，娛樂，空調等分離單元組成的傳統座艙快速向座艙域+ADAS域演變，一體貫穿屏和雙聯屏越來越多的被用于新發布車型中，傳統中控部分用于調節空調和娛樂導航等功能的機械按鍵被集成進大顯示屏或轉換為智能按鍵被轉移到其它位置，對于集成于顯示屏的功能鍵面臨多層菜單的操作復雜度，比較適合于與駕駛和車身控制無關的娛樂，導航，通訊等功能的集成；對于一些常用和用戶希望快捷響應的涉及車量行駛和車身控制的功能，按鍵形式無論從便捷性和安全性考慮會更適合，但受限于可用的面積和空間，空間占用比較大的機械按鍵會轉變為更加小巧的智能按鍵轉移至顯示屏下方、檔把控制板或多功能方向盤。智能按鍵除在結構件的小體積輕量化方面有優勢之外，也帶來用戶體驗的提升如觸覺反饋，聲音反饋，光效反饋等， 在汽車上的應用呈快速增加的態勢。
基于傳統機械按鍵的內飾
?大屏+智能按鍵
智能表面是未來汽車內外飾發展的方向，它通過在內外飾材料上增加電子功能的產品結構實現塑電一體化，在我們不需要的時候隱藏，需要時通過接近，手勢或語音控制等形式來激活，獲得反饋和響應。在信息展現上，智能表面能夠將車內所有功能無縫整合至統一表面，實現無縫銜接。
在未來，車內的每一個表面都可以是智能表面 。我們只需在車內覆蓋的表面上方動動手，某個互動界面或動態氛圍燈即會顯現，這些表面可以與我們互動，可以根據用戶需求出現在恰當的地方，其展現形式有很多種：
方向盤的智能表面設計：可通過觸摸、按壓或手勢等方式觸發轉向信號、汽車娛樂系統控制、汽車檔位車速控制等功能。
門飾板和車把手：可以通過觸控技術集成后視鏡、車窗控制、座椅調節等為一體
智能座椅控制：通過智能表面來實現不同的場景的設置，如座椅調節、座椅加熱、按摩、一鍵零重力、氛圍燈光等功能的控制。
智能玻璃和天窗的設計：使用特殊的薄膜設計，插入玻璃中，再通過電子控制信號改變透明度來實現汽車內部氛圍燈、影像的控制功能。
無處不在的智能表面
智能表面在設計方面的自由度也將變得更為靈活。一方面，我們可以調整占用者的可見功能數量及其當前需求；另一方面，也有利于設計師充分發揮想象，設計出具有更多高科技感和美感的作品，從而改善內部視覺和觸覺效果。智能表面可以減少多余的按鈕和開關，暫時沒有被使用的功能也可以變暗或消失。而在未來，幾乎任意一個表面都可以加載功能，這樣多出來的地方可以作為儲物空間或置放其他物品。使車內縫隙最小化，從而實現了整體內飾風格的無縫統一，擴大了空間使用率。
目前，智能表面技術正在迅速發展，未來的車輛內部將被集視覺美與功能性于一身的大型智能表面所覆蓋。在整體的設計上，也讓消費者覺得更具設計感和科技感。智能按鍵作為人機交互的基本實現形式將會是智能按鍵的基本組成部分。
除了內飾部分的應用，外飾件對于智能按鍵和智能表面的應用也出現快速發展的態勢，如隱藏式觸控門把手的應用使車輛外觀更加美觀和節能，尾門腳踢控制器解決了用戶在雙手抱物的情況下開尾門的難點，智能B柱作為共享汽車的輸入截面也呈現出越來越多的應用案例。
綜合以上情況， 預計智能按鍵芯片的單車用量將會達到20到30顆之多，對整車的智能化體驗和成本越來越重要，相應的方案的選擇顯得越來越重要。
2.2? ? ?智能按鍵和智能表面系統組成和方案選擇
智能按鍵人機交互主要包括感知和反饋兩部分，感知部分主要是利用各種傳感器對用戶的觸摸動作進行可靠識別，主要形式有電容式，電阻式，紅外式，電感式等， 反饋部分是對用戶操作進行回饋以確認操作成功。兩者結合可在功能和用戶習慣上完全替代傳統機械按鍵，同時比之機械按鍵擁有更為美觀的外形，占用更少空間，以及提升了整車的科技感。
在智能按鍵的技術選擇方面，電容觸控方案作為最通用和高性價比的方案被廣泛采用，但也存在諸多問題， 如防水問題，防誤觸問題，抗電磁干擾問題，裝配精度問題等僅靠單一電容檢測的方式很難做到完美解決，多，模方案自然而然就成了業界共同尋求的改進方案。其中壓力，紅外是最常使用的方案, 其中紅外檢測主要用到高成本的光電轉換器件，對裝配的精度要求高而且，信號輸出與表面的變形量也是非線性關系，靈敏度適應環境變化的能力弱；壓力檢測的方式也有電容或電阻方式， 其中電容壓力方式要求兩個電容薄膜之間需要真空環境，支撐面需要平整，壓力和電容變化非線性等在工程實踐過程中面臨很多難以克服的挑戰。電阻式壓力傳感器作為新型的檢測方式具有的高線性度，裝配方式靈活，靈敏度高，低功耗等特性將成為多模觸控的優選方案，得到越來越多業內客戶的認可。
3. 傳統電容觸摸方案介紹
傳統的觸摸方案依照感應方式的不同，大致可以分為電阻式，電容式，紅外線式和超聲波式四類，目前絕大部分應用（包括汽車）采用的是是電容式觸摸。
電容式觸摸又分自容式和互容式兩種檢測方式，這兩種檢測方式應用原理不同，應用場合也不同。
圖四是自容式觸摸的原理簡圖，自電容檢測是用一個電極，觸摸芯片會測試該電極和大地之間的電容，若將手指放在傳感器上，則測得的電容會增加。自電容感應最適合用于單點觸摸傳感器，如按鍵。
圖四 自容觸控原理
圖五是自容式的原理簡圖，互電容感應將測量兩個電極間的電容。其中一個電極被稱為發送電極（TX），另一個被稱為接收電極（RX）。在互電容測量系統中，為 TX 引腳提供數字電壓（VDDD 和 GND 間的信號切換），并測量 RX 引腳上所接收到的電荷。在 RX 電極上接收到的電荷與兩個電極間的互電容（Cx）成正比。在 TX 和 RX 電極間放置手指時，互電容Cx會降低。由于互電容降低，RX 電極上接收到的電荷也會降低。互電容效應最適合用于多點觸摸系統，如觸摸屏和觸控板。
圖五 互容觸控原理
圖六是自容式電容觸摸的工作原理介紹，分為觸摸態和非觸摸態。
圖六 自容工作原理
在非觸摸態的時候的物理模型如上圖所示，整個系統會有3個等效電容組成，一個是寄生電容Cp（Parasitic Cap），一個是電極電容Ce（Electrode Cap），還有一個回地電容Cg（Ground return Cap）。這3個電容并不是一成不變的，他們會由于周圍環境的變化而發生變化，所以在非觸摸態下，電容值會產生波動，我們稱之為電容底噪，需要通過軟件來對這種波動值進行修正，來保證不會由于周圍環境的變化而產生誤判斷。
圖七 基于自容的人體感應原理
如圖七所示，當人體靠近電容檢測電極時的物理模型如上圖所示，要比未靠近的時候會增加一個觸摸電容Ct（touch cap）。當人體離這個電容檢測電極越近，Ct會越大，當在一定時間范圍內電容變化量達到一定的門限后，我們就判斷有觸摸事件發生。
雖然自容式觸摸在汽車上的應用廣泛，但是也存在一些比較難解決的問題，主要為以下幾種：
1. 防水效果差：
像車外飾以及靠近車窗的車內飾組件容易遇到一些水滴或者水流的情況，這種場景下電容觸控容易產生一些誤動作。例如門把手，尾門開關，車窗升降開關，在下雨或洗車等場景下，容易產生誤判。
2. 對低阻抗的物體容易產生誤觸：
因為電容觸控的檢測原理是通過pad來檢測周圍環境的介電常數在短時間的變化量來判斷是有觸摸動作，所以當有低阻抗或者介電常數跟人體的介電常數相似的物體（如金屬）靠近時也容易產生響應。
3. 電磁抗干擾差：
由于電容觸摸采用的是共模檢測的方式，并且電容檢測電極類似于天線，所以對電源紋波和高頻噪音干擾容易產生誤觸，特別是EMC測試中射頻噪音和電源線以及地線上噪音的抗干擾效果不好。
4. 盲操效果差：
對于用戶的一些不經意的操作會引起誤觸發，比如方向盤控制器，在駕駛者行駛過程中需要盲操的場景下，手對電容按鍵較多的觸摸區域操作時會有很大概率產生誤觸。
5. 對開發人員的技術能力要求高
由于電容觸摸的抗干擾性差，對周圍器件的高頻干擾容易受串擾，所以結構堆疊，Layout設計和器件擺放以及對于觸摸算法調試都存在一定的難度，開發周期長。所以在設計過程中，對結構工程師，硬件工程師和軟件工程師的要求都非常高。
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基于純電容觸控存在的諸多問題，越來越多的人家交互觸摸方案中開始考慮融入壓力檢測技術。通過壓力檢測判斷按壓動作，通過常用的壓力檢測技術有電容式壓力傳感檢測、電感式壓力傳感檢測、紅外壓力傳感檢測、MEMS壓力傳感檢測、惠斯通電橋壓力傳感檢測技術。
4. 主要壓感技術路線分析
4.1? ? ?電容式壓力傳感器檢測技術
電容式壓力傳感器檢測技術，需要在壓力檢測位置上構建一個電容器，按壓過程中檢測該電容器電容量的變化來判斷按壓動作。
電容器由兩塊正對的平行導體，以及它們之間夾著的絕緣介質構成，其電容量為
其中：
ε為兩平行導體之間的絕緣介質的相對介電常數
A為兩平行導體所覆蓋的面積
d為兩平行導體之間的距離
C為電容量
當ε、A或d發生變化時，電容量也會隨之發生變化。
電容式壓力傳感器檢測技術是通過檢測按壓時改變兩平行導體間距來實現電容量變化的技術。
由此可見，實現電容式壓力傳感器檢測的關鍵在于在按壓位置上構建一個穩定、一致，可靠，并在按壓時能夠產生一定行程距離的電容器。
這就使得設計電容器時需確保：
①電容器兩平行導體空間上既要完全重疊，又要保證兩導體之間的距離一致
②按壓時產生合適的位移行程引起的電容量的變化能被檢測電路有效檢測出來
③各種使用環境下絕緣介質的相對介電常數一致。
以上條件對電容的載體結構件、平行導體的生產裝配精度要求極其苛刻，甚至需要在兩平行導體之間構建密閉環境并充填特定氣體以確保各種使用環境下電容器中的絕緣介質的相對介電常數不變，這樣才能保證產品的性能和一致性，生產難度和生產成本極高。
電容量的檢測大多采用的是電容觸摸的檢測原理，因此該檢測技術除了存在構建電容器的難度以外，還帶有電容觸摸的先天缺陷，比如防水誤觸、EMC、帶手套觸摸等問題，降低了客戶的體驗度。
4.2? ? 電感式壓力傳感器檢測技術
電感式壓力傳感器檢測技術是利用電磁感應原理將壓力轉換成電感線圈自感量的變化，再由測量電路轉換成電壓或電流的變化，來判斷按壓操作的檢測技術。
電感式壓力傳感器也稱變磁阻式壓力傳感器，由鐵芯、線圈和銜鐵三部分組成。如圖八所示：
圖八 電感式壓力傳感原理
線圈繞在鐵芯上，鐵芯和銜鐵都由導磁材料制成，銜鐵與鐵芯之間的氣隙距離為d，由電磁感應定律可知，線圈電感量近似計算公式為：
其中：
N為繞制在鐵芯上的線圈匝數
μ0為空氣的磁導率；
Ae為鐵芯截面積；
d為鐵芯與銜鐵之間的氣隙厚度
L為線圈電感量
可見只要改變鐵芯和銜鐵之間的氣隙或氣隙截面積就可以改變磁路的氣隙磁阻。
當壓力作用于銜鐵上，銜鐵和鐵芯之間的氣隙d發生變化，引起氣隙中的磁阻發生變化，從而導致線圈電感量的變化。再由處理電路，常用的處理電路有交流電橋式、變壓器式以及諧振式等，把這個電感的變化轉化成相應的電信號輸出，從而達到判斷按壓動作的目的。
電感式壓力傳感器，具有結構相對簡單，沒有活動的電觸點，壽命長，工作可靠。其致命缺點是自身頻率響應低，不適合需要快速動態檢測的應用場景。
4.3? ? 紅外式壓力傳感器檢測技術
紅外式壓力傳感器檢測技術是利用紅外線的物理特性進行按壓位移檢測的傳感器檢測技術。
紅外線是一種不可見光，具有光線的所有特性，比如透射、反射、折射、散射、吸收等等。紅外傳感器根據紅外光產生的方式可以分為主動式紅外傳感器和被動式紅外傳感器。在紅外式壓力傳感器檢測技術中，使用的是主動式紅外傳感器。
主動式紅外傳感器技術主要采用一發一收的系統結構，發射機是由電源、發光源和光學系統組成，接收機由光學系統、光電傳感器、放大器、信號處理等部分組成。發射機中的紅外發光二極管在電源的激發下發出一束經調制的紅外光束，被紅外接收機接收，把光信號轉成電信號，經電路處理后傳輸給MCU處理。從而在發射機和接收機之間形成一條紅外光束組成的警戒線。正常情況下，接收機接收到一個穩定的光信號，當發射機和接收機發生錯位時，或紅外光反射、折射距離變化時，必然會全部或部分遮擋紅外光束，使得接收機接收到的紅外信號發生變化，輸出的電信號的強度會因此發生變化，從而檢測出發生位移。
在使用主動式紅外傳感器檢測位移時，需要保證以下條件：
①發射機和接收機的安裝位置需要處于同一平面，且夾角固定，確保發射機發射出的紅外光被接收機有效接收。
②當發生位移時，需要發射機和接收機之間的位移要有足夠的大的位移行程，確保紅外信號的變化能被檢測出來。由于需要機械位移行程，結構上就會存在空隙，就會帶來防水問題，這就需要增加額外的結構設計來解決防水問題。
③在不同使用溫度環境中，發射機發射出的紅外光束不能出現明顯的變化。對于環境溫度過低的場景，需要專用的加熱器以保證探測器的正常工作。
④在整個產品的使用周期中，需要為紅外檢測系統提供一個相對干凈、密封的工作環境，以避免出現水汽、灰塵的臟亂情況，確保在相同位移行程的條件下，產生的信號變化量一致。
綜上所述，利用紅外檢測技術實現壓感操作，存在如下痛點：
①結構不能設計成一體式結構，存在防水問題。
②對紅外光發射裝置和接收裝置安裝位置要求位于同一平面，且夾角固定，精度要求高，增加生產裝配難度。
③需要增加額外的防塵、防水設計，以達到防塵防水要求，減少紅外光束反射。
④發光管線性度差，軟件算法復雜。
⑤系統復雜，功耗高，器件多，成本高。不能使用在高密度按鍵區域。
4.4? ? MEMS壓力傳感器檢測技術
MEMS壓力傳感器檢測方案，是一種高靈敏度的、高集成的、采用硅工藝的壓力檢測方案。通過MEMS元器件作為敏感器件，將觸摸表面的形變轉化成電壓變化，通過芯片內部電路將電壓模擬量轉化為數字量，再通過芯片內置的比較器，對按壓操作進行判斷。
該方案優點在于能檢測出觸摸按壓面板的微小形變，在理想情況下具有高靈敏度的特性，同時硬件設計簡單，無設計門檻。與此同時，在產品設計、生產過程及性能方面存在如下問題，限制了其大規模在汽車應用的可行性：
①傳感器芯片尺寸小，厚度薄，強度小，導致芯片在運輸、保壓甚至是用戶使用過程中非常容易損壞，這是高可靠性要求的汽車應用中首要規避的問題。
②如圖九所示，傳感器采用面貼在觸摸按壓面板下方方案時，雙面膠需要足夠的保壓時間和壓強進行激活，由于MEMS芯片表面受力強度有限，保壓貼合難度高。
圖九 MEMS壓力傳感器面貼疊層結構
③如圖十所示，傳感器采用簡支梁方案將力從觸摸面板直接傳導作用在傳感器表面時，由于MEMS芯片表面受力強度有限，設計上要求簡支梁末端與傳感器表面的位移行程控制在0.1mm±0.05mm范圍內。對結構、裝配精度提出了很高的要求，大大增加了生產難度和生產成本。
圖十 MEMS壓力傳感器 簡支梁疊層結構
④由于sensor布局在芯片底部，焊錫高低，焊接飽滿程度對芯片靈敏度的影響非常大，對焊接工藝要求高。
⑤MEMS壓力傳感器輸出的是經過ADC采集的數字信號，無法直接測量傳感器橋臂電阻，可測量程度較低。
⑥對于較大面積的智能表面應用來說，需要多顆傳感器覆蓋整面，MEMS壓力傳感器采用傳感器與測量芯片合封方式，無法實現單顆芯片支持多路壓感傳感器，導致整體成本較高。
4.5? ? 惠斯通電橋柔性壓力傳感器檢測技術
4.5.1 基本原理
惠斯通電橋柔性壓力傳感器，是一種基于壓阻式材料的微壓力傳感器，采用惠斯通電橋結構，將觸摸表面的按壓形變轉化成電壓變化的模擬量。可同時檢測拉伸或壓縮兩種應變，如果受到的是壓縮力，其電阻值會限制變小；如果受到的是拉伸力，其電阻值會顯著變大。
傳感器的原理如圖十一所示：?
圖十一 惠斯通電橋傳感原理
傳感器產生的信號與曲率的關系為：
其中：
k:應變系數
ε：應變
Vcc：傳感器供電電壓
該壓力傳感器檢測技術中，影響檢測靈敏度的關鍵因數有兩個，一是傳感器供電質量，二是溫度的影響，傳感器電阻值隨溫度變化，如果橋臂上的電阻在不同溫度區域內，電阻值溫度變化不同，會帶來測量誤差。上海泰矽微電子有限公司的TCAE31A從硬件以及軟件兩個方面很好的解決了這兩個問題，TCAE31A芯片內部提供了一個高質量低紋波的電源專供傳感器。溫度對傳感器的影響，則可通過泰矽微提供的軟件算法實時進行基線修正和補償。
基于TCAE31A低至3.6uV的電壓分辨率和傳感器的靈敏度，有效量程曲率半徑可達0.91至1944米，具有極高的靈敏度和形變及壓力承受能力。
4.5.2獨特優勢
惠斯通電橋柔性壓力傳感器檢測技術具有如下優點：
①高靈敏度，面板微小的形變即可產生變化較大的電壓差，可直接檢測面板形變。
②面板材質要求寬松，適用性強。
③面板一體化，易實現整體防水。
④易安裝，可選擇面貼方式貼附在觸摸按壓面板下方，也可貼附在PCB上，選擇簡支梁方式將力傳導到PCB上，簡支梁作用點不需作用在傳感器上。
柔性壓力傳感器面貼方案疊層結構如圖十二所示：
圖十二 柔性壓力傳感器面貼疊層結構
柔性壓力傳感器簡支梁方案疊層結構如圖十三所示：
圖十三 柔性壓力傳感器簡支梁疊層結構
⑤裝配精度要求不高，生產成本低。
⑥具有正向壓阻效應，輸出線性度高。
⑦壓力承受能力極高，不易損壞。
⑧技術成熟穩定，已在各類全球知名電子產品品牌中累計生產數億片，經受過大批量產業化驗證和技術迭代。
⑨多傳感器應用中，傳感器可共用一顆專用芯片，總體成本低。
4.5.3常見問題/FAQ
以下列舉針對于該傳感技術的部分常見問題，以供參考:
1. 如何考慮高低溫、劇烈振動情況所帶來的PCB材料、膠水材料、壓感傳感器、外殼材料等形變問題而產生的數據誤判問題？
a) 本方案所選用的傳感器在材料選擇上規避了具有較強粘彈性屬性的高分子材料，可有效控制振動和高低溫等環境變化帶來的影響。同時，針對溫度沖擊對壓感誤報影響，在算法和方案層面也做了雙重優化，即，通過實時基線追蹤修正所有相關環節帶來的漂移，可有效規避溫度沖擊帶來的誤報。整個實現方案，從傳感器材料選型和設計到芯片的硬件電路設計再到算法，全部都有相應原創專利技術保障整體方案在環境變化方面的高可靠性。
b) 關于機械振動給PCB材料、膠水材料、壓感傳感器帶來的影響主要體現在金屬疲勞和信噪比方面。金屬疲勞主要集中在焊錫上，這一點汽車電子已經廣泛使用，非常成熟。信噪比方面主要是通過芯片內部實現的超低噪聲信號調理電路，共模抑制電路及小信號放大電路予以保障，積分噪聲低至，外加全鏈路22bit的有效分辨率，確保了整個信號鏈路的高信噪比性能。
2. 如何考慮生產過程裝配的一致性，品控保證，測試方案，良率問題?
量產裝配制程必然會帶來物理一致性問題，本方案所選用的傳感器在其他各類產品上已積累大量量產經驗。累計數量超億片，主要集中在如下兩點：
1）關注方案設計及制造因素，提前優化設計制造細節要點，保障物理一致性及方案信噪比均值，同時關注制造過程中相應細節實施。
2）產線實施校準措施，軟件補償物理一致性。泰矽微會協同傳感器廠商全程協助做好以上兩點的保障，確保量產過程整體一致性。
3. 壓力方案所帶來的可能失效的邊界問題；
壓感失效可能如下：
a) 方案問題，比如方案理論信號量均值偏低，主要通過理論仿真和實驗測試規避，泰矽微會協助每個客戶的每個項目進行相關仿真和方案推薦。
b) 制造問題，主要通過理論分析優化提前預警，提出設計要點規避。同時，制造環節把控這些干擾項。
c) 可靠性問題，關于這一點主要兩方面。
1）方案設計，確保設計合理，規避風險。
2）通過前期功能機進行相關合理測試驗證。
4. 壓力傳感器的線性度如何，溫度變化是否會影響壓力傳感器的工作
本方案采用的壓力傳感器線性度很好，傳感器輸出的差分電壓值跟壓力形變具有標準的線性特性。溫度變化確實會對壓力傳感器的靜態底噪，還有壓力和形變的斜率關系造成影響，但影響不了線性特性，只是對應的斜率會有變化，這個需要MCU在壓力傳感器的算法里面根據溫度的因素去做動態調整。另外溫度變化有時也會引起結構件的形變，會被反映到壓力傳感器上，導致傳感器原始數據的底噪整體被提升或者被降低，可在與之配套的MCU在底噪觸發特定閾值的時候進行offset自動動態調整。
5. 壓力傳感器的靈敏度如何，是否需要每個按鍵的位置都配置一個壓力傳感器，如何評估具體方案中需要多少顆壓力傳感器
該壓力傳感器靈敏度很高，典型值為7000uV/m-1，最大變形曲率1.1 m-1，能夠檢測到微米級別的形變。無需每個按鍵位置配備一顆芯片進行檢測，通過結合電容觸控技術，可以做到多個按鍵共享一顆壓力傳感器，多個傳感器共用一顆專用MCU，尤其適合智能表面應用，具體選用顆數，擺放位置及安裝方式等需經過結構仿真最終得出結論。泰矽微全程協助客戶進行仿真和方案開發直至量產。
4.6? ? 各壓力傳感檢測技術方案特性對比分析
表一：壓力傳感檢測技術特性對比
5. 泰矽微雙模3D觸控方案介紹
本篇前文分析了傳統電容觸控方案在汽車人機交互應用中的局限性，分析了不同壓感技術的優缺點，從中不難得出如下兩個結論:
1）越來越多的汽車內外飾的智能觸控和智能表面需要結合多種觸控技術來實現更多更可靠的交互功能；
2）電容觸控和基于惠斯通電橋原理的壓力傳感技術融合方案在目前階段是最優組合。通過壓力傳感可以非常可靠的識別按壓動作，我們稱之為Z軸觸控，同時，通過電容觸控來標定按壓的精確位置，稱之為XY軸。通過兩者融合形成XYZ三軸形成的3D觸控方案。
圖十四 3D觸控示意圖
5.1? ??泰矽微3D觸控芯片TCAE31A介紹
基于如上融合方案需求，泰矽微于2022年3月發布了業內首顆車規級雙模人機交互芯片TCAE31A，在單芯片內同時集成了電容觸摸和壓感技術，實現了真正意義上的3D觸控。方案一經推出就獲得了市場高度關注與青睞，并逐步進入多個主流汽車主機廠的定點項目中。
圖十五 TCAE31A芯片結構框圖
TCAE31A的產品特性如下:
基于Arm Cortex-M0 內核，工作主頻高達32MHz，芯片內部集成64KB Flash 和 4 KB SRAM
基于自有專利技術Tinywork，實現外設之間的信號聯動，可以大大降低應用方案的動態功耗
超低功耗設計，靜態功耗低至3uA，單通道壓感平均功耗低至18.7uA
單芯片可實現2路壓感+10路電容觸摸通道，并具備可擴展性?
內置專利技術的壓感和觸摸融合算法
信號鏈有效分辨率高達22位，可提供高靈敏度，高分辨率，高信噪比及高線性度的壓力傳感檢測
支持LIN通信協議棧?
支持基于UDS的bootloader升級方案
8kV HBM ESD
滿足AEC-Q100 Grade 2(-40℃~105℃)
QFN28 4mm*4mm*0.75mm封裝
5.2? ??基于TCAE31A的生態系統介紹
TCAE31A提供標準的EVK開發套件，完整的SDK開發包，包括數據手冊，用戶手冊，驅動，樣例，KEIL Pack包，PC端調試工具等。即使從未接觸過壓力感應和電容觸控技術的嵌入式工程師，也可以在非常短的時間內完成一個高質量的產品應用開發。SDK軟件架構如圖十六：
圖十六TCAE31A軟件架構
SDK軟件架構的特點：
分層設計
模塊化
可擴展，可維護
輕量級
自研輕量級OS，資源消耗小，結構清晰
消息驅動，任務之間可以通過消息通信
無對立任務棧，無上下文切換，時間片輪轉，非實時搶占
SDK中提供的觸摸相關功能特性：
算法部分以lib庫的形式提供
觸摸任務通過回調函數通知APP觸摸事件的發生
支持的按鍵觸摸類型識別
①按下
②釋放
③雙擊
④長按
支持的觸摸事件類型
①按鍵
②滑條
③腳踢
圖十七 觸摸軟件流程圖
圖十八 電容觸控算法介紹
SDK中提供的壓感相關功能特性：
算法部分以lib庫的形式提供
針對壓感的固有offset特性，算法會在初始化的時候進行一次靜態校準，然后在后面的運行過程中，根據閾值條件適時地進行動態校準，以確保壓感正常地工作
Lib庫分為單通道算法庫和針對多通道擴展的算法庫，理論上最多可支持16通道的壓感，但實際項目中要受到具體RAM的使用情況的限制，對于純壓感的應用，官方demo用例最多支持到9通道，對于觸控和壓感雙模的應用，官方demo用例在使能觸控的情況下最多支持到7通道
壓感算法架構如圖6，壓感多通道擴展應用如圖7，泰矽微通過自有專利技術，實現了多通道壓感信號自動追蹤檢測的算法，助力客戶在多通道壓感領域的產品創新
圖十九 壓感算法流程圖
泰矽微提供的自有專利技術的軟件算法充分利用了單芯片并行處理雙模信號的優勢，優化了CPU的處理時間，大大提高了系統的處理效率，能夠快速地給出最后的觸控位置和對應該位置的壓感力度信息，這是構建3D觸控的核心所在。針對壓力傳感器的壓感信號，TCAE31A中的SARADC模塊能夠自動進行偏置電壓的補償校準，將壓力傳感器由于制造工藝、組裝差異或者溫度變化等客觀因素引起的超出測量范圍的差分電壓值自動調整到SARADC的工作量程內即±100mV之內。SARADC模塊采集完原始數據后軟件會進入到壓感算法處理中心，進行壓感的窗口滑動濾波處理和動態溫度補償算法，并進行基線自動跟蹤，經過SoC的壓感算法處理中心處理之后的信號即體現為一個力的信號，是通過實時數據跟基線數據的差值進行算法處理得到的反映按壓力度的一個值，整個力度的范圍在1牛頓到10牛頓之間。針對電容觸控PAD的電容特性信號，當手指跟電容PAD接觸的時候，TinyTouch模塊就會實時地檢測到外部電容的變化，并輸出一個跟該電容變化大小相關的原始數據。軟件獲得該原始數據后，會進入到觸控算法處理中心，進行觸控數據的一系列算法處理，包括軟件放大，特征濾波器，判決器，基線跟蹤器以及噪聲檢測器。其中在判決器模塊會根據用戶不同的特征配置，實現單按鍵，多按鍵，防水，滑條等多種應用場景的識別。在實際的項目應用中電容觸控算法和壓感算法是并行處理的，能夠非常及時準確地構建出一個3D觸控的信息。
5.3? ? 泰矽微3D觸控方案獨特優勢
總體而言，泰矽微3D觸控方案具有如下幾大突出優勢：
1)防水效果好：
水流容易造成電容誤觸但難以造成壓力觸控的誤觸，壓力和電容采用“與”的方式，水滴或水流同時觸發的概率顯著降低，另，通過兩種方式產生觸發的精確時間和波形形態進行二次軟件算法濾波與判斷，可完全杜絕由于水造成的可能的誤觸現象。
2)抗干擾能力強：
壓力+電容觸控可消除由于靜電，干擾以及無意觸碰等導致的誤觸現象，大大提高可靠性。
3)EMC性能優：
測試更易通過，壓力檢測是差分輸入，內在對共模干擾有很好的抑制作用，加上電橋等效阻抗低（6 KΩ），接收干擾的功率低，抗電磁干擾的性能優異。電容電極類似天線，較容易受到干擾，EMC 較難通過，但實現成本低。通過結合壓力和電容可以發揮兩者各自的優勢，縮短開發和測試周期。
4)裝配方式靈活：
壓力檢測裝配方式靈活，可以采用表貼也可以采用懸臂梁，簡支梁等結構。使用簡易。
5)性價比高：
成本不高，采用國產廠商泰矽微研發的車規壓力和電容觸控二合一雙模芯片，配合車規級壓力觸控柔性傳感器，整體成本與傳統國外品牌純電容觸控芯片價格相當，但整體可靠性和人機交互體驗提升一大截。具有很高的性價比。
目前泰矽微3D觸控芯片產品相關發明專利近20件，處于業界領先水平。其獨有的人機交互壓力觸控雙模解決方案也已經廣泛滲透到汽車領域地多個細分應用市場，相信在不久的將來，必將會給用戶帶來更加智能和舒適的產品體驗。
6. 泰矽微3D觸控技術在汽車上的典型應用介紹
6.1? ? 基于3D觸控技術的汽車門把手
傳統的門把手都是采用純電容觸摸的檢測方案，電容觸摸的工作原理決定了這種檢測方案的防水效果不好，比如下雨，洗車等的場景下很難完全區分是人手觸摸還是水滴水流造成的電容變化，所以非常容易引起誤觸發，目前還沒有好的方法完全解決防水問題，電容觸摸+壓感的雙重檢測方案通過對電容和壓力的雙重檢測和融合判斷，大大提高了汽車門把手對人手按壓動作的識別成功率和防水成功率。
下圖是電容觸控+壓感檢測門把手的模塊圖：
圖二十 基于3D觸控技術的門把手方案
電容觸控+壓感檢測門把手主要有4個模塊組成：
1：通信模塊：一般采用LIN接口或者載波通信電路，主要用于跟主機通信。
2：電容檢測模塊：包括檢測通道和參考通道，主要用于電容檢測以及一些誤操作場景識別。
3：壓感檢測模塊：包括電阻式壓力檢測模組以及采樣電路，用于對表面壓力進行檢測
4：中央數據處理模塊：對電容數據和壓感數據做融合處理，得到最后的結果，并通知主機。
泰矽微的電容+壓力檢測的3D觸控汽車門把手方案采用3個檢測通道的方案，分別為電容檢測通道，電容參考通道，壓力檢測通道，這3個通道會實時采集當前的電容和壓力數據，由于水霧，水流和人手按壓對這3個通道的影響會各有差異，所以通過組合判斷以及對數據的融合處理，可以很好的區別出各種干擾場景和人手正常觸摸。
6.2? ?基于3D觸控技術的汽車尾門開關
目前市面上大部分尾門開關采用的是機械開關的方案，隨著用戶對汽車外觀一體化的越來越高，車廠也在嘗試尾門開關用電容或者紅外的檢測方式，但是效果都不好，在一些場景下存在誤觸率，泰矽微的電容檢測+壓力檢測的方案可以準確識別出洗車，擦車，人體倚靠等各種誤觸場景和人手正常按壓，大大提高了檢測的準確性。
下圖是電容觸控+壓感檢測的尾門開關的模塊圖：
圖二十一 基于3D觸控技術的電尾門開關方案
尾門壓感開關主要有4個模塊組成：
1：通信模塊：一般采用LIN接口，用于跟主機通信。
2：電容檢測模塊：包括檢測通道和防誤觸通道，用于電容檢測以及一些誤操作場景識別。
3：壓感檢測模塊：包括電阻式壓力檢測模組以及采樣電路，用于對表面壓力進行檢測。
4：中央數據處理模塊：對電容數據和壓感數據做融合處理，得到最后的結果，并通知主機。
另外，可以根據客戶具體要求增加背光控制或者震動反饋控制。
尾門壓感開關通過電容檢測通道，電容防誤觸通道和壓感通道3個通道的數據作為一組數據來智能判斷當前各種場景，比如洗車，擦車，人體倚靠，異物按壓和人手正常操作。雖然各個車廠的尾門LOGO開關存在較大差異，但是由于泰矽微所有電容檢測和壓力檢測的算法以及相關代碼全部是自主開發，可以針對客戶需求進行定制化的硬件和軟件設計，可以根據具體結構形態增加相應的檢測模塊，靈活應對各種場景。
6.3? ? 基于3D觸控技術的汽車中控面板
目前市面的中控面板一般采用純電容觸摸或者電容觸摸+MEMS壓力檢測的方案，對于純電容的觸摸方案，普遍存在誤觸率高的缺點，而電容觸摸+MEMS壓力檢測的方案則有MEMS器件在壓力大的情況下容易損壞，對組裝和公差控制的要求高等缺點，生產良率低，而泰矽微的壓力檢測方案采用電阻式的壓力檢測sensor，可以采用面貼或者簡支梁的組裝方式，大大提高了組裝可靠性。
下圖是電容觸控+壓感檢測的汽車中控面板的模塊圖：
圖二十二 基于3D觸控技術的汽車中控方案
中控面板檢測主要有5個模塊組成：
1：通信模塊：一般采用LIN接口，用于跟主機通信。
2：電容檢測模塊：包括多路電容檢測通道，用于確認面板各個按鍵是否觸發。
3：壓感檢測模塊：包括是電阻式壓力檢測模組以及采樣電路，用于對表面壓力進行檢測。
4：背光顯示模塊：包括各類LED以及背光驅動電路，對按鍵事件做各種燈光反饋。
5：中央數據處理模塊：對電容數據和壓感數據做融合處理，得到最后的結果，并通知主機。
泰矽微的方案可以根據面板的材質和整個受力面積進行壓力仿真，來決定放幾路壓感sensor和放置壓感sensor的具體位置，通過壓感sensor來檢測人手是否按壓，通過電容觸摸來檢測人手按壓的具體位置，軟件會對各路原始數據進行相應的濾波算法和檢測算法，最終輸出正確的結果，并且可以根據客戶具體需求增加背光或者震動反饋來實現
6.4? ? 基于3D觸控技術的汽車智能B柱
目前越來越多的汽車會在B柱上增加開關用于智能進入，目前的方案多用電容式開關，邏輯比較簡單，當手指觸摸到開關，即輸出車門開門信號。但是由于電容觸控的工作原理限制，在洗車或者雨天環境下容易發生車門誤開啟的情況， 泰矽微的電容+壓力雙重檢測機制可以保證開關的正確性。
下圖是電容觸控+壓感檢測的汽車智能B柱的模塊圖：
圖二十三 基于3D觸控技術的汽車智能B柱方案
智能B柱主要有4個模塊組成：
1：通信模塊：一般采用LIN接口或者載波通信電路，主要用于跟主機通信。
2：電容檢測模塊：包括檢測通道和參考通道，主要用于電容檢測以及一些誤操作場景識別。
3：壓感檢測模塊：包括電阻式壓力檢測模組以及采樣電路，用于對表面壓力進行檢測
4：中央數據處理模塊：對電容數據和壓感數據做融合處理，得到最后的結果，并通知主機。
泰矽微的電容+壓力檢測的智能B柱方案有3個檢測通道，分別為電容檢測通道，電容參考通道，壓力檢測通道，這3個通道會實時采集當前的電容和壓力數據，由于洗車的水流和雨水跟人手按壓對這3個通道的所采集的數據有較大差異，所以通過組合判斷以及對數據的融合處理，可以很好的區別出各種干擾場景和人手正常觸摸。
6.5? ? 基于3D觸控技術方向盤控制器
目前汽車控制器多采用物理按鍵的方式，隨著汽車內飾一體化要求的越來越高，方向盤控制器也將采用智能表面的方式，但是由于方向盤控制器多數情況下是盲操場景，所以只用純電容檢測會導致誤觸的產生，增加壓感也成為了工程師越來越多的選擇。泰矽微的電容+壓感的3D觸控方案很好的將易操作性和可靠性結合在一起。
下圖是電容觸控+壓感檢測的方向盤控制器的模塊圖：
圖二十四 基于3D觸控技術的方向盤按鍵方案
方向盤控制器主要有5個模塊組成：
1：通信模塊：一般采用LIN接口，用于跟主機通信。
2：電容檢測模塊：包括多路電容檢測通道，用于確認面板各個按鍵是否觸發。
3：壓感檢測模塊：包括是電阻式壓力檢測模組以及采樣電路，用于對表面壓力進行檢測。
4：震動反饋模塊：包括電機以及驅動電路，對按鍵事件做震動反饋。
5：中央數據處理模塊：對電容數據和壓感數據做融合處理，得到最后的結果，并通知主機。
泰矽微的電容+壓感的3D觸控方向盤控制器的方案采用壓力sensor來檢測人手按壓，用電容檢測來定位相關按鍵位置，并且通過電機震動對用戶動作的做及時的反饋，這樣可以保證盲操的正確性和快速反饋。電容按鍵數量和壓感檢測數量可以根據具體應用做增加或者減少。
6.6? ? 基于3D觸控技術的車窗升降控制器
車窗控制器是一個對可靠性要求比較高的應用，像下雨天車窗升降開關易碰水，駕駛者行駛過程中需要盲操，這些問題都是純電容方案難以解決的，存在一定的安全隱患。所以需要電容觸摸+壓力雙重檢測來保證可靠性和盲操性。
下圖是電容觸控+壓感檢測的車窗控制器的模塊圖：
圖二十五 基于3D觸控技術的車窗控制器方案
車窗升降控制器主要有4個模塊組成：
1：通信模塊：一般采用LIN接口，用于跟主機通信。
2：電容檢測模塊：包括幾路電容檢測通道，用于確認具體的按鍵觸發事件。
3：壓感檢測模塊：包括是電阻式壓力檢測模組以及采樣電路，用于對表面壓力進行檢測。
4：中央數據處理模塊：對電容數據和壓感數據做融合處理，得到最后的結果，并通知主機。
泰矽微的電容+壓感的3D觸控車窗控制器的方案采用壓力sensor來檢測人手按壓，用電容檢測來定位相關按鍵位置，并且通過電機震動對用戶動作的做及時的反饋，這樣可以保證盲操的正確性和快速反饋。電容按鍵數量和壓感檢測數量可以根據具體應用做增加或者減少。
關于泰矽微
上海泰矽微電子有限公司2019年成立于上海張江，是一家中國領先的高性能專用MCU芯片供應商。公司專注于物聯網應用相關的各類芯片的研發，已獲得多個知名投資機構的大力扶持與投資。公司聚集了一批頂尖的半導體專家，致力于發展成為平臺型芯片企業。團隊具有各類系統級復雜芯片的研發能力，所開發的芯片累計出貨達數十億顆。公司已在信號鏈、電源及射頻等方向積累了大量的MCU芯片方案，可覆蓋消費類，工控及汽車等應用領域。差異化的芯片產品在樹立行業標桿的同時，也將為更多物聯網企業賦能，更好服務于客戶需求。
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