万字白皮书！6大维度读懂车规3D触控
来源:芯师爷发布时间:2022-10-171906浏览
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目录
序言
市场纵观和需求分析
2.1 智能按键和智能表面市场概述
2.2 智能按键和智能表面系统组成和方案选择
传统电容触摸方案介绍
主要压感技术路线分析
4.1 电容式压力传感器检测技术
4.2 电感式压力传感器检测技术
4.3 红外式压力传感器检测技术
4.4 MEMS压力传感器检测技术
4.5 惠斯通电桥柔性压力传感器检测技术
4.5.1 基本原理
4.5.2 独特优势
4.5.3 常见问题/FAQ
4.6 各压力传感检测技术方案特性对比分析
泰矽微双模3D触控方案介绍
5.1 泰矽微3D触控芯片TCAE31A介绍
5.2 基于TCAE31A的生态系统介绍
5.3 泰矽微3D触控方案独特优势
泰矽微3D触控技术在汽车上的典型应用介绍
6.1 基于3D触控技术的汽车门把手
6.2 基于3D触控技术的汽车尾门开关
6.3 基于3D触控技术的汽车中控面板
6.4 基于3D触控技术的汽车智能B柱
6.5 基于3D触控技术方向盘控制器
6.6 基于3D触控技术的车窗升降控制器
随着智能触控和智能表面概念在汽车应用上的兴起，纯电容触控技术被广泛应用于汽车内外饰应用中，替代传统机械按键，在一定程度上提升了汽车人机交互体验感和科技感，但随着越来越多各类人机交互应用场景的出现，以及基于传统纯电容方案大规模进入汽车走向市场，单纯的电容触控方案的弊端从开发侧到用户侧越来越显现出来，包括按键误触问题，多按键盲操问题，水的误触发问题，EMC抗干扰问题等等都对智能触控和智能表面在汽车上的更大规模应用与普及构成了一定的障碍。行业也都在积极思考如何在可接受的成本范围内，通过技术迭代改进解决现有痛点，提升方案的可靠性。泰矽微所倡导的压感+电容双模3D触控芯片及整体方案正是在这样的大背景下应运而生的。整体方案构成包括由泰矽微开发的车规级专用人机交互MCU和来自于深圳纽迪瑞公司开发的基于惠斯通电桥原理的车规级压力感应柔性传感器。整体方案解决了现有纯电容触控存在的所有痛点，且成本可控，具备较强的可生产性。方案所包含的芯片和传感器均已通过相关AEC-Q100/200测试认证。本文接下来的篇幅将会更详细的展开介绍相关方案的市场，技术及应用情况。
本材料面向从事汽车人机交互，智能内外饰件相关应用的技术及市场人员，汽车相关行业分析师及行业投资机构等。希望能给行业带来一定的参考价值。
2.1智能按键和智能表面市场概述
随着新能源技术的发展，汽车动力系统已经越来越难以实现差异化， 汽车行业的发展由过去基于机械和内燃机系统的动力系统的竞争演变为智能化，舒适化，科技感等的竞争，随之带来的是整个生态系统的快速演变。
智能按键和智能表面作为汽车智能化的重要部分，目前正处于快速发展阶段，随着由仪表，娱乐，空调等分离单元组成的传统座舱快速向座舱域+ADAS域演变，一体贯穿屏和双联屏越来越多的被用于新发布车型中，传统中控部分用于调节空调和娱乐导航等功能的机械按键被集成进大显示屏或转换为智能按键被转移到其它位置，对于集成于显示屏的功能键面临多层菜单的操作复杂度，比较适合于与驾驶和车身控制无关的娱乐，导航，通讯等功能的集成；对于一些常用和用户希望快捷响应的涉及车量行驶和车身控制的功能，按键形式无论从便捷性和安全性考虑会更适合，但受限于可用的面积和空间，空间占用比较大的机械按键会转变为更加小巧的智能按键转移至显示屏下方、档把控制板或多功能方向盘。智能按键除在结构件的小体积轻量化方面有优势之外，也带来用户体验的提升如触觉反馈，声音反馈，光效反馈等， 在汽车上的应用呈快速增加的态势。
图一 基于传统机械按键的内饰
图二 大屏+智能按键
智能表面是未来汽车内外饰发展的方向，它通过在内外饰材料上增加电子功能的产品结构实现塑电一体化，在我们不需要的时候隐藏，需要时通过接近，手势或语音控制等形式来激活，获得反馈和响应。在信息展现上，智能表面能够将车内所有功能无缝整合至统一表面，实现无缝衔接。
在未来，车内的每一个表面都可以是智能表面 。我们只需在车内覆盖的表面上方动动手，某个互动界面或动态氛围灯即会显现，这些表面可以与我们互动，可以根据用户需求出现在恰当的地方，其展现形式有很多种：
方向盘的智能表面设计：可通过触摸、按压或手势等方式触发转向信号、汽车娱乐系统控制、汽车档位车速控制等功能。
门饰板和车把手：可以通过触控技术集成后视镜、车窗控制、座椅调节等为一体
智能座椅控制：通过智能表面来实现不同的场景的设置，如座椅调节、座椅加热、按摩、一键零重力、氛围灯光等功能的控制。
智能玻璃和天窗的设计，使用特殊的薄膜设计，插入玻璃中，再通过电子控制信号改变透明度来实现汽车内部氛围灯、影像的控制功能。
图三 无处不在的智能表面
智能表面在设计方面的自由度也将变得更为灵活。一方面，我们可以调整占用者的可见功能数量及其当前需求；另一方面，也有利于设计师充分发挥想象，设计出具有更多高科技感和美感的作品，从而改善内部视觉和触觉效果。智能表面可以减少多余的按钮和开关，暂时没有被使用的功能也可以变暗或消失。而在未来，几乎任意一个表面都可以加载功能，这样多出来的地方可以作为储物空间或置放其他物品。使车内缝隙最小化，从而实现了整体内饰风格的无缝统一，扩大了空间使用率。
目前，智能表面技术正在迅速发展，未来的车辆内部将被集视觉美与功能性于一身的大型智能表面所覆盖。在整体的设计上，也让消费者觉得更具设计感和科技感。智能按键作为人机交互的基本实现形式将会是智能按键的基本组成部分。
除了内饰部分的应用，外饰件对于智能按键和智能表面的应用也出现快速发展的态势，如隐藏式触控门把手的应用使车辆外观更加美观和节能，尾门脚踢控制器解决了用户在双手抱物的情况下开尾门的难点，智能B柱作为共享汽车的输入截面也呈现出越来越多的应用案例。
综合以上情况， 预计智能按键芯片的单车用量将会达到20到30颗之多，对整车的智能化体验和成本越来越重要，相应的方案的选择显得越来越重要。
2.2智能按键和智能表面系统组成和方案选择
智能按键人机交互主要包括感知和反馈两部分，感知部分主要是利用各种传感器对用户的触摸动作进行可靠识别，主要形式有电容式，电阻式，红外式，电感式等， 反馈部分是对用户操作进行回馈以确认操作成功。两者结合可在功能和用户习惯上完全替代传统机械按键，同时比之机械按键拥有更为美观的外形，占用更少空间，以及提升了整车的科技感。
在智能按键的技术选择方面，电容触控方案作为最通用和高性价比的方案被广泛采用，但也存在诸多问题， 如防水问题，防误触问题，抗电磁干扰问题，装配精度问题等仅靠单一电容检测的方式很难做到完美解决，多，模方案自然而然就成了业界共同寻求的改进方案。其中压力，红外是最常使用的方案, 其中红外检测主要用到高成本的光电转换器件，对装配的精度要求高而且，信号输出与表面的变形量也是非线性关系，灵敏度适应环境变化的能力弱；压力检测的方式也有电容或电阻方式， 其中电容压力方式要求两个电容薄膜之间需要真空环境，支撑面需要平整，压力和电容变化非线性等在工程实践过程中面临很多难以克服的挑战。电阻式压力传感器作为新型的检测方式具有的高线性度，装配方式灵活，灵敏度高，低功耗等特性将成为多模触控的优选方案，得到越来越多业内客户的认可。
传统的触摸方案依照感应方式的不同，大致可以分为电阻式，电容式，红外线式和超声波式四类，目前绝大部分应用（包括汽车）采用的是是电容式触摸。
电容式触摸又分自容式和互容式两种检测方式，这两种检测方式应用原理不同，应用场合也不同。
图四是自容式触摸的原理简图，自电容检测是用一个电极，触摸芯片会测试该电极和大地之间的电容，若将手指放在传感器上，则测得的电容会增加。自电容感应最适合用于单点触摸传感器，如按键。
图四 自容触控原理
图五是自容式的原理简图，互电容感应将测量两个电极间的电容。其中一个电极被称为发送电极（TX），另一个被称为接收电极（RX）。在互电容测量系统中，为 TX 引脚提供数字电压（VDDD 和 GND 间的信号切换），并测量 RX 引脚上所接收到的电荷。在 RX 电极上接收到的电荷与两个电极间的互电容（Cx）成正比。在 TX 和 RX 电极间放置手指时，互电容Cx会降低。由于互电容降低，RX 电极上接收到的电荷也会降低。互电容效应最适合用于多点触摸系统，如触摸屏和触控板。
图五 互容触控原理
图六是自容式电容触摸的工作原理介绍，分为触摸态和非触摸态。
图六 自容工作原理
在非触摸态的时候的物理模型如上图所示，整个系统会有3个等效电容组成，一个是寄生电容Cp（Parasitic Cap），一个是电极电容Ce（Electrode Cap），还有一个回地电容Cg（Ground return Cap）。这3个电容并不是一成不变的，他们会由于周围环境的变化而发生变化，所以在非触摸态下，电容值会产生波动，我们称之为电容底噪，需要通过软件来对这种波动值进行修正，来保证不会由于周围环境的变化而产生误判断。
图七 基于自容的人体感应原理
如图七所示，当人体靠近电容检测电极时的物理模型如上图所示，要比未靠近的时候会增加一个触摸电容Ct（touch cap）。当人体离这个电容检测电极越近，Ct会越大，当在一定时间范围内电容变化量达到一定的门限后，我们就判断有触摸事件发生。
虽然自容式触摸在汽车上的应用广泛，但是也存在一些比较难解决的问题，主要为以下几种：
1. 防水效果差：
像车外饰以及靠近车窗的车内饰组件容易遇到一些水滴或者水流的情况，这种场景下电容触控容易产生一些误动作。例如门把手，尾门开关，车窗升降开关，在下雨或洗车等场景下，容易产生误判。
2. 对低阻抗的物体容易产生误触：
因为电容触控的检测原理是通过pad来检测周围环境的介电常数在短时间的变化量来判断是有触摸动作，所以当有低阻抗或者介电常数跟人体的介电常数相似的物体（如金属）靠近时也容易产生响应。
3. 电磁抗干扰差：
由于电容触摸采用的是共模检测的方式，并且电容检测电极类似于天线，所以对电源纹波和高频噪音干扰容易产生误触，特别是EMC测试中射频噪音和电源线以及地线上噪音的抗干扰效果不好。
4. 盲操效果差：
对于用户的一些不经意的操作会引起误触发，比如方向盘控制器，在驾驶者行驶过程中需要盲操的场景下，手对电容按键较多的触摸区域操作时会有很大概率产生误触。
5. 对开发人员的技术能力要求高
由于电容触摸的抗干扰性差，对周围器件的高频干扰容易受串扰，所以结构堆叠，Layout设计和器件摆放以及对于触摸算法调试都存在一定的难度，开发周期长。所以在设计过程中，对结构工程师，硬件工程师和软件工程师的要求都非常高。
基于纯电容触控存在的诸多问题，越来越多的人家交互触摸方案中开始考虑融入压力检测技术。通过压力检测判断按压动作，通过常用的压力检测技术有电容式压力传感检测、电感式压力传感检测、红外压力传感检测、MEMS压力传感检测、惠斯通电桥压力传感检测技术。
4.1电容式压力传感器检测技术
电容式压力传感器检测技术，需要在压力检测位置上构建一个电容器，按压过程中检测该电容器电容量的变化来判断按压动作。
电容器由两块正对的平行导体，以及它们之间夹着的绝缘介质构成，其电容量为
其中：
ε为两平行导体之间的绝缘介质的相对介电常数
A为两平行导体所覆盖的面积
d为两平行导体之间的距离
C为电容量
当ε、A或d发生变化时，电容量也会随之发生变化。
电容式压力传感器检测技术是通过检测按压时改变两平行导体间距来实现电容量变化的技术。
由此可见，实现电容式压力传感器检测的关键在于在按压位置上构建一个稳定、一致，可靠，并在按压时能够产生一定行程距离的电容器。
这就使得设计电容器时需确保：
①电容器两平行导体空间上既要完全重叠，又要保证两导体之间的距离一致
②按压时产生合适的位移行程引起的电容量的变化能被检测电路有效检测出来
③各种使用环境下绝缘介质的相对介电常数一致。
以上条件对电容的载体结构件、平行导体的生产装配精度要求极其苛刻，甚至需要在两平行导体之间构建密闭环境并充填特定气体以确保各种使用环境下电容器中的绝缘介质的相对介电常数不变，这样才能保证产品的性能和一致性，生产难度和生产成本极高。
电容量的检测大多采用的是电容触摸的检测原理，因此该检测技术除了存在构建电容器的难度以外，还带有电容触摸的先天缺陷，比如防水误触、EMC、带手套触摸等问题，降低了客户的体验度。
4.2电感式压力传感器检测技术
电感式压力传感器检测技术是利用电磁感应原理将压力转换成电感线圈自感量的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化，来判断按压操作的检测技术。
电感式压力传感器也称变磁阻式压力传感器，由铁芯、线圈和衔铁三部分组成。如图八所示：
图八 电感式压力传感原理
线圈绕在铁芯上，铁芯和衔铁都由导磁材料制成，衔铁与铁芯之间的气隙距离为d，由电磁感应定律可知，线圈电感量近似计算公式为：
其中：
N为绕制在铁芯上的线圈匝数
μ0为空气的磁导率；
Ae为铁芯截面积；
d为铁芯与衔铁之间的气隙厚度
L为线圈电感量
可见只要改变铁芯和衔铁之间的气隙或气隙截面积就可以改变磁路的气隙磁阻。
当压力作用于衔铁上，衔铁和铁芯之间的气隙d发生变化，引起气隙中的磁阻发生变化，从而导致线圈电感量的变化。再由处理电路，常用的处理电路有交流电桥式、变压器式以及谐振式等，把这个电感的变化转化成相应的电信号输出，从而达到判断按压动作的目的。
电感式压力传感器，具有结构相对简单，没有活动的电触点，寿命长，工作可靠。其致命缺点是自身频率响应低，不适合需要快速动态检测的应用场景。
4.3红外式压力传感器检测技术
红外式压力传感器检测技术是利用红外线的物理特性进行按压位移检测的传感器检测技术。
红外线是一种不可见光，具有光线的所有特性，比如透射、反射、折射、散射、吸收等等。红外传感器根据红外光产生的方式可以分为主动式红外传感器和被动式红外传感器。在红外式压力传感器检测技术中，使用的是主动式红外传感器。
主动式红外传感器技术主要采用一发一收的系统结构，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理等部分组成。发射机中的红外发光二极管在电源的激发下发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，把光信号转成电信号，经电路处理后传输给MCU处理。从而在发射机和接收机之间形成一条红外光束组成的警戒线。正常情况下，接收机接收到一个稳定的光信号，当发射机和接收机发生错位时，或红外光反射、折射距离变化时，必然会全部或部分遮挡红外光束，使得接收机接收到的红外信号发生变化，输出的电信号的强度会因此发生变化，从而检测出发生位移。
在使用主动式红外传感器检测位移时，需要保证以下条件：
①发射机和接收机的安装位置需要处于同一平面，且夹角固定，确保发射机发射出的红外光被接收机有效接收。
②当发生位移时，需要发射机和接收机之间的位移要有足够的大的位移行程，确保红外信号的变化能被检测出来。由于需要机械位移行程，结构上就会存在空隙，就会带来防水问题，这就需要增加额外的结构设计来解决防水问题。
③在不同使用温度环境中，发射机发射出的红外光束不能出现明显的变化。对于环境温度过低的场景，需要专用的加热器以保证探测器的正常工作。
④在整个产品的使用周期中，需要为红外检测系统提供一个相对干净、密封的工作环境，以避免出现水汽、灰尘的脏乱情况，确保在相同位移行程的条件下，产生的信号变化量一致。
综上所述，利用红外检测技术实现压感操作，存在如下痛点：
①结构不能设计成一体式结构，存在防水问题。
②对红外光发射装置和接收装置安装位置要求位于同一平面，且夹角固定，精度要求高，增加生产装配难度。
③需要增加额外的防尘、防水设计，以达到防尘防水要求，减少红外光束反射。
④发光管线性度差，软件算法复杂。
⑤系统复杂，功耗高，器件多，成本高。不能使用在高密度按键区域。
4.4MEMS压力传感器检测技术
MEMS压力传感器检测方案，是一种高灵敏度的、高集成的、采用硅工艺的压力检测方案。通过MEMS元器件作为敏感器件，将触摸表面的形变转化成电压变化，通过芯片内部电路将电压模拟量转化为数字量，再通过芯片内置的比较器，对按压操作进行判断。
该方案优点在于能检测出触摸按压面板的微小形变，在理想情况下具有高灵敏度的特性，同时硬件设计简单，无设计门槛。与此同时，在产品设计、生产过程及性能方面存在如下问题，限制了其大规模在汽车应用的可行性：
①传感器芯片尺寸小，厚度薄，强度小，导致芯片在运输、保压甚至是用户使用过程中非常容易损坏，这是高可靠性要求的汽车应用中首要规避的问题。
②如图九所示，传感器采用面贴在触摸按压面板下方方案时，双面胶需要足够的保压时间和压强进行激活，由于MEMS芯片表面受力强度有限，保压贴合难度高。
图九 MEMS压力传感器面贴叠层结构
③如图十所示，传感器采用简支梁方案将力从触摸面板直接传导作用在传感器表面时，由于MEMS芯片表面受力强度有限，设计上要求简支梁末端与传感器表面的位移行程控制在0.1mm±0.05mm范围内。对结构、装配精度提出了很高的要求，大大增加了生产难度和生产成本。
图十 MEMS压力传感器 简支梁叠层结构
④由于sensor布局在芯片底部，焊锡高低，焊接饱满程度对芯片灵敏度的影响非常大，对焊接工艺要求高。
⑤MEMS压力传感器输出的是经过ADC采集的数字信号，无法直接测量传感器桥臂电阻，可测量程度较低。
⑥对于较大面积的智能表面应用来说，需要多颗传感器覆盖整面，MEMS压力传感器采用传感器与测量芯片合封方式，无法实现单颗芯片支持多路压感传感器，导致整体成本较高。
4.5惠斯通电桥柔性压力传感器检测技术
4.5.1 基本原理
惠斯通电桥柔性压力传感器，是一种基于压阻式材料的微压力传感器，采用惠斯通电桥结构，将触摸表面的按压形变转化成电压变化的模拟量。可同时检测拉伸或压缩两种应变，如果受到的是压缩力，其电阻值会限制变小；如果受到的是拉伸力，其电阻值会显著变大。
传感器的原理如图十一所示：
图十一 惠斯通电桥传感原理
传感器产生的信号与曲率的关系为：
其中：
k:应变系数
Vcc：传感器供电电压
该压力传感器检测技术中，影响检测灵敏度的关键因数有两个，一是传感器供电质量，二是温度的影响，传感器电阻值随温度变化，如果桥臂上的电阻在不同温度区域内，电阻值温度变化不同，会带来测量误差。上海泰矽微电子有限公司的TCAE31A从硬件以及软件两个方面很好的解决了这两个问题，TCAE31A芯片内部提供了一个高质量低纹波的电源专供传感器。温度对传感器的影响，则可通过泰矽微提供的软件算法实时进行基线修正和补偿。
基于TCAE31A低至3.6uV的电压分辨率和传感器的灵敏度，有效量程曲率半径可达0.91至1944米，具有极高的灵敏度和形变及压力承受能力。
4.5.2独特优势
惠斯通电桥柔性压力传感器检测技术具有如下优点：
①高灵敏度，面板微小的形变即可产生变化较大的电压差，可直接检测面板形变。
②面板材质要求宽松，适用性强。
③面板一体化，易实现整体防水。
④易安装，可选择面贴方式贴附在触摸按压面板下方，也可贴附在PCB上，选择简支梁方式将力传导到PCB上，简支梁作用点不需作用在传感器上。
柔性压力传感器面贴方案叠层结构如图十二所示：
图十二 柔性压力传感器面贴叠层结构
柔性压力传感器简支梁方案叠层结构如图十三所示：
图十三 柔性压力传感器简支梁叠层结构
⑤装配精度要求不高，生产成本低。
⑥具有正向压阻效应，输出线性度高。
⑦压力承受能力极高，不易损坏。
⑧技术成熟稳定，已在各类全球知名电子产品品牌中累计生产数亿片，经受过大批量产业化验证和技术迭代。
⑨多传感器应用中，传感器可共用一颗专用芯片，总体成本低。
4.5.3常见问题/FAQ
以下列举针对于该传感技术的部分常见问题，以供参考:
1. 如何考虑高低温、剧烈振动情况所带来的PCB材料、胶水材料、压感传感器、外壳材料等形变问题而产生的数据误判问题？
a) 本方案所选用的传感器在材料选择上规避了具有较强粘弹性属性的高分子材料，可有效控制振动和高低温等环境变化带来的影响。同时，针对温度冲击对压感误报影响，在算法和方案层面也做了双重优化，即，通过实时基线追踪修正所有相关环节带来的漂移，可有效规避温度冲击带来的误报。整个实现方案，从传感器材料选型和设计到芯片的硬件电路设计再到算法，全部都有相应原创专利技术保障整体方案在环境变化方面的高可靠性。
b) 关于机械振动给PCB材料、胶水材料、压感传感器带来的影响主要体现在金属疲劳和信噪比方面。金属疲劳主要集中在焊锡上，这一点汽车电子已经广泛使用，非常成熟。信噪比方面主要是通过芯片内部实现的超低噪声信号调理电路，共模抑制电路及小信号放大电路予以保障，积分噪声低至，外加全链路22bit的有效分辨率，确保了整个信号链路的高信噪比性能。
2. 如何考虑生产过程装配的一致性，品控保证，测试方案，良率问题?
量产装配制程必然会带来物理一致性问题，本方案所选用的传感器在其他各类产品上已积累大量量产经验。累计数量超亿片，主要集中在如下两点：
1）关注方案设计及制造因素，提前优化设计制造细节要点，保障物理一致性及方案信噪比均值，同时关注制造过程中相应细节实施。
2）产线实施校准措施，软件补偿物理一致性。泰矽微会协同传感器厂商全程协助做好以上两点的保障，确保量产过程整体一致性。
3. 压力方案所带来的可能失效的边界问题；
压感失效可能如下：
a) 方案问题，比如方案理论信号量均值偏低，主要通过理论仿真和实验测试规避，泰矽微会协助每个客户的每个项目进行相关仿真和方案推荐。
b) 制造问题，主要通过理论分析优化提前预警，提出设计要点规避。同时，制造环节把控这些干扰项。
c) 可靠性问题，关于这一点主要两方面。
1）方案设计，确保设计合理，规避风险。
2）通过前期功能机进行相关合理测试验证。
4. 压力传感器的线性度如何，温度变化是否会影响压力传感器的工作
本方案采用的压力传感器线性度很好，传感器输出的差分电压值跟压力形变具有标准的线性特性。温度变化确实会对压力传感器的静态底噪，还有压力和形变的斜率关系造成影响，但影响不了线性特性，只是对应的斜率会有变化，这个需要MCU在压力传感器的算法里面根据温度的因素去做动态调整。另外温度变化有时也会引起结构件的形变，会被反映到压力传感器上，导致传感器原始数据的底噪整体被提升或者被降低，可在与之配套的MCU在底噪触发特定阈值的时候进行offset自动动态调整。
5. 压力传感器的灵敏度如何，是否需要每个按键的位置都配置一个压力传感器，如何评估具体方案中需要多少颗压力传感器
该压力传感器灵敏度很高，典型值为7000uV/m-1，最大变形曲率1.1 m-1，能够检测到微米级别的形变。无需每个按键位置配备一颗芯片进行检测，通过结合电容触控技术，可以做到多个按键共享一颗压力传感器，多个传感器共用一颗专用MCU，尤其适合智能表面应用，具体选用颗数，摆放位置及安装方式等需经过结构仿真最终得出结论。泰矽微全程协助客户进行仿真和方案开发直至量产。
表一：压力传感检测技术特性对比
本篇前文分析了传统电容触控方案在汽车人机交互应用中的局限性，分析了不同压感技术的优缺点，从中不难得出如下两个结论:
1）越来越多的汽车内外饰的智能触控和智能表面需要结合多种触控技术来实现更多更可靠的交互功能；
2）电容触控和基于惠斯通电桥原理的压力传感技术融合方案在目前阶段是最优组合。通过压力传感可以非常可靠的识别按压动作，我们称之为Z轴触控，同时，通过电容触控来标定按压的精确位置，称之为XY轴。通过两者融合形成XYZ三轴形成的3D触控方案。
图十四 3D触控示意图
5.1泰矽微3D触控芯片TCAE31A介绍
基于如上融合方案需求，泰矽微于2022年3月发布了业内首颗车规级双模人机交互芯片TCAE31A，在单芯片内同时集成了电容触摸和压感技术，实现了真正意义上的3D触控。方案一经推出就获得了市场高度关注与青睐，并逐步进入多个主流汽车主机厂的定点项目中。
图十五 TCAE31A芯片结构框图
TCAE31A的产品特性如下:
基于Arm® Cortex®-M0 内核，工作主频高达32MHz，芯片内部集成64KB Flash 和 4 KB SRAM
基于自有专利技术Tinywork®，实现外设之间的信号联动，可以大大降低应用方案的动态功耗
超低功耗设计，静态功耗低至3uA，单通道压感平均功耗低至18.7uA
单芯片可实现2路压感+10路电容触摸通道，并具备可扩展性
内置专利技术的压感和触摸融合算法
信号链有效分辨率高达22位，可提供高灵敏度，高分辨率，高信噪比及高线性度的压力传感检测
支持LIN通信协议栈
支持基于UDS的bootloader升级方案
8kV HBM ESD
满足AEC-Q100 Grade 2(-40℃~105℃)
QFN28 4mm*4mm*0.75mm封装
5.2基于TCAE31A的生态系统介绍
TCAE31A提供标准的EVK开发套件，完整的SDK开发包，包括数据手册，用户手册，驱动，样例，KEIL Pack包，PC端调试工具等。即使从未接触过压力感应和电容触控技术的嵌入式工程师，也可以在非常短的时间内完成一个高质量的产品应用开发。SDK软件架构如图十六：
图十六TCAE31A软件架构
SDK软件架构的特点：
分层设计
模块化
可扩展，可维护
轻量级
自研轻量级OS，资源消耗小，结构清晰
消息驱动，任务之间可以通过消息通信
无对立任务栈，无上下文切换，时间片轮转，非实时抢占
SDK中提供的触摸相关功能特性：
算法部分以lib库的形式提供
触摸任务通过回调函数通知APP触摸事件的发生
支持的按键触摸类型识别
①按下
②释放
③双击
④长按
支持的触摸事件类型
①按键
②滑条
③脚踢
图十七 触摸软件流程图
图十八 电容触控算法介绍
SDK中提供的压感相关功能特性：
算法部分以lib库的形式提供
针对压感的固有offset特性，算法会在初始化的时候进行一次静态校准，然后在后面的运行过程中，根据阈值条件适时地进行动态校准，以确保压感正常地工作
Lib库分为单通道算法库和针对多通道扩展的算法库，理论上最多可支持16通道的压感，但实际项目中要受到具体RAM的使用情况的限制，对于纯压感的应用，官方demo用例最多支持到9通道，对于触控和压感双模的应用，官方demo用例在使能触控的情况下最多支持到7通道
压感算法架构如图6，压感多通道扩展应用如图7，泰矽微通过自有专利技术，实现了多通道压感信号自动追踪检测的算法，助力客户在多通道压感领域的产品创新
图十九 压感算法流程图
泰矽微提供的自有专利技术的软件算法充分利用了单芯片并行处理双模信号的优势，优化了CPU的处理时间，大大提高了系统的处理效率，能够快速地给出最后的触控位置和对应该位置的压感力度信息，这是构建3D触控的核心所在。针对压力传感器的压感信号，TCAE31A中的SARADC模块能够自动进行偏置电压的补偿校准，将压力传感器由于制造工艺、组装差异或者温度变化等客观因素引起的超出测量范围的差分电压值自动调整到SARADC的工作量程内即±100mV之内。SARADC模块采集完原始数据后软件会进入到压感算法处理中心，进行压感的窗口滑动滤波处理和动态温度补偿算法，并进行基线自动跟踪，经过SoC的压感算法处理中心处理之后的信号即体现为一个力的信号，是通过实时数据跟基线数据的差值进行算法处理得到的反映按压力度的一个值，整个力度的范围在1牛顿到10牛顿之间。针对电容触控PAD的电容特性信号，当手指跟电容PAD接触的时候，TinyTouch模块就会实时地检测到外部电容的变化，并输出一个跟该电容变化大小相关的原始数据。软件获得该原始数据后，会进入到触控算法处理中心，进行触控数据的一系列算法处理，包括软件放大，特征滤波器，判决器，基线跟踪器以及噪声检测器。其中在判决器模块会根据用户不同的特征配置，实现单按键，多按键，防水，滑条等多种应用场景的识别。在实际的项目应用中电容触控算法和压感算法是并行处理的，能够非常及时准确地构建出一个3D触控的信息。
5.3泰矽微3D触控方案独特优势
总体而言，泰矽微3D触控方案具有如下几大突出优势：
1)防水效果好：
水流容易造成电容误触但难以造成压力触控的误触，压力和电容采用“与”的方式，水滴或水流同时触发的概率显著降低，另，通过两种方式产生触发的精确时间和波形形态进行二次软件算法滤波与判断，可完全杜绝由于水造成的可能的误触现象。
2)抗干扰能力强：
压力+电容触控可消除由于静电，干扰以及无意触碰等导致的误触现象，大大提高可靠性。
3)EMC性能优：
测试更易通过，压力检测是差分输入，内在对共模干扰有很好的抑制作用，加上电桥等效阻抗低（6 KΩ），接收干扰的功率低，抗电磁干扰的性能优异。电容电极类似天线，较容易受到干扰，EMC 较难通过，但实现成本低。通过结合压力和电容可以发挥两者各自的优势，缩短开发和测试周期。
4)装配方式灵活：
压力检测装配方式灵活，可以采用表贴也可以采用悬臂梁，简支梁等结构。使用简易。
5)性价比高：
成本不高，采用国产厂商泰矽微研发的车规压力和电容触控二合一双模芯片，配合车规级压力触控柔性传感器，整体成本与传统国外品牌纯电容触控芯片价格相当，但整体可靠性和人机交互体验提升一大截。具有很高的性价比。
目前泰矽微3D触控芯片产品相关发明专利近20件，处于业界领先水平。其独有的人机交互压力触控双模解决方案也已经广泛渗透到汽车领域地多个细分应用市场，相信在不久的将来，必将会给用户带来更加智能和舒适的产品体验。
泰矽微3D触控技术
在汽车上的典型应用介绍
6.1基于3D触控技术的汽车门把手
传统的门把手都是采用纯电容触摸的检测方案，电容触摸的工作原理决定了这种检测方案的防水效果不好，比如下雨，洗车等的场景下很难完全区分是人手触摸还是水滴水流造成的电容变化，所以非常容易引起误触发，目前还没有好的方法完全解决防水问题，电容触摸+压感的双重检测方案通过对电容和压力的双重检测和融合判断，大大提高了汽车门把手对人手按压动作的识别成功率和防水成功率。
下图是电容触控+压感检测门把手的模块图：
图二十 基于3D触控技术的门把手方案
电容触控+压感检测门把手主要有4个模块组成：
1：通信模块：一般采用LIN接口或者载波通信电路，主要用于跟主机通信。
2：电容检测模块：包括检测通道和参考通道，主要用于电容检测以及一些误操作场景识别。
3：压感检测模块：包括电阻式压力检测模组以及采样电路，用于对表面压力进行检测
4：中央数据处理模块：对电容数据和压感数据做融合处理，得到最后的结果，并通知主机。
泰矽微的电容+压力检测的3D触控汽车门把手方案采用3个检测通道的方案，分别为电容检测通道，电容参考通道，压力检测通道，这3个通道会实时采集当前的电容和压力数据，由于水雾，水流和人手按压对这3个通道的影响会各有差异，所以通过组合判断以及对数据的融合处理，可以很好的区别出各种干扰场景和人手正常触摸。
6.2基于3D触控技术的汽车尾门开关
目前市面上大部分尾门开关采用的是机械开关的方案，随着用户对汽车外观一体化的越来越高，车厂也在尝试尾门开关用电容或者红外的检测方式，但是效果都不好，在一些场景下存在误触率，泰矽微的电容检测+压力检测的方案可以准确识别出洗车，擦车，人体倚靠等各种误触场景和人手正常按压，大大提高了检测的准确性。
下图是电容触控+压感检测的尾门开关的模块图：
图二十一 基于3D触控技术的电尾门开关方案
尾门压感开关主要有4个模块组成：
1：通信模块：一般采用LIN接口，用于跟主机通信。
2：电容检测模块：包括检测通道和防误触通道，用于电容检测以及一些误操作场景识别。
3：压感检测模块：包括电阻式压力检测模组以及采样电路，用于对表面压力进行检测。
4：中央数据处理模块：对电容数据和压感数据做融合处理，得到最后的结果，并通知主机。
另外，可以根据客户具体要求增加背光控制或者震动反馈控制。
尾门压感开关通过电容检测通道，电容防误触通道和压感通道3个通道的数据作为一组数据来智能判断当前各种场景，比如洗车，擦车，人体倚靠，异物按压和人手正常操作。虽然各个车厂的尾门LOGO开关存在较大差异，但是由于泰矽微所有电容检测和压力检测的算法以及相关代码全部是自主开发，可以针对客户需求进行定制化的硬件和软件设计，可以根据具体结构形态增加相应的检测模块，灵活应对各种场景。
6.3基于3D触控技术的汽车中控面板
目前市面的中控面板一般采用纯电容触摸或者电容触摸+MEMS压力检测的方案，对于纯电容的触摸方案，普遍存在误触率高的缺点，而电容触摸+MEMS压力检测的方案则有MEMS器件在压力大的情况下容易损坏，对组装和公差控制的要求高等缺点，生产良率低，而泰矽微的压力检测方案采用电阻式的压力检测sensor，可以采用面贴或者简支梁的组装方式，大大提高了组装可靠性。
下图是电容触控+压感检测的汽车中控面板的模块图：
图二十二 基于3D触控技术的汽车中控方案
中控面板检测主要有5个模块组成：
1：通信模块：一般采用LIN接口，用于跟主机通信。
2：电容检测模块：包括多路电容检测通道，用于确认面板各个按键是否触发。
3：压感检测模块：包括是电阻式压力检测模组以及采样电路，用于对表面压力进行检测。
4：背光显示模块：包括各类LED以及背光驱动电路，对按键事件做各种灯光反馈。
5：中央数据处理模块：对电容数据和压感数据做融合处理，得到最后的结果，并通知主机。
泰矽微的方案可以根据面板的材质和整个受力面积进行压力仿真，来决定放几路压感sensor和放置压感sensor的具体位置，通过压感sensor来检测人手是否按压，通过电容触摸来检测人手按压的具体位置，软件会对各路原始数据进行相应的滤波算法和检测算法，最终输出正确的结果，并且可以根据客户具体需求增加背光或者震动反馈来实现
6.4基于3D触控技术的汽车智能B柱
目前越来越多的汽车会在B柱上增加开关用于智能进入，目前的方案多用电容式开关，逻辑比较简单，当手指触摸到开关，即输出车门开门信号。但是由于电容触控的工作原理限制，在洗车或者雨天环境下容易发生车门误开启的情况， 泰矽微的电容+压力双重检测机制可以保证开关的正确性。
下图是电容触控+压感检测的汽车智能B柱的模块图：
图二十三 基于3D触控技术的汽车智能B柱方案
智能B柱主要有4个模块组成：
1：通信模块：一般采用LIN接口或者载波通信电路，主要用于跟主机通信。
2：电容检测模块：包括检测通道和参考通道，主要用于电容检测以及一些误操作场景识别。
3：压感检测模块：包括电阻式压力检测模组以及采样电路，用于对表面压力进行检测
4：中央数据处理模块：对电容数据和压感数据做融合处理，得到最后的结果，并通知主机。
泰矽微的电容+压力检测的智能B柱方案有3个检测通道，分别为电容检测通道，电容参考通道，压力检测通道，这3个通道会实时采集当前的电容和压力数据，由于洗车的水流和雨水跟人手按压对这3个通道的所采集的数据有较大差异，所以通过组合判断以及对数据的融合处理，可以很好的区别出各种干扰场景和人手正常触摸。
6.5基于3D触控技术方向盘控制器
目前汽车控制器多采用物理按键的方式，随着汽车内饰一体化要求的越来越高，方向盘控制器也将采用智能表面的方式，但是由于方向盘控制器多数情况下是盲操场景，所以只用纯电容检测会导致误触的产生，增加压感也成为了工程师越来越多的选择。泰矽微的电容+压感的3D触控方案很好的将易操作性和可靠性结合在一起。
下图是电容触控+压感检测的方向盘控制器的模块图：
图二十四 基于3D触控技术的方向盘按键方案
方向盘控制器主要有5个模块组成：
1：通信模块：一般采用LIN接口，用于跟主机通信。
2：电容检测模块：包括多路电容检测通道，用于确认面板各个按键是否触发。
3：压感检测模块：包括是电阻式压力检测模组以及采样电路，用于对表面压力进行检测。
4：震动反馈模块：包括电机以及驱动电路，对按键事件做震动反馈。
5：中央数据处理模块：对电容数据和压感数据做融合处理，得到最后的结果，并通知主机。
泰矽微的电容+压感的3D触控方向盘控制器的方案采用压力sensor来检测人手按压，用电容检测来定位相关按键位置，并且通过电机震动对用户动作的做及时的反馈，这样可以保证盲操的正确性和快速反馈。电容按键数量和压感检测数量可以根据具体应用做增加或者减少。
6.6基于3D触控技术的车窗升降控制器
车窗控制器是一个对可靠性要求比较高的应用，像下雨天车窗升降开关易碰水，驾驶者行驶过程中需要盲操，这些问题都是纯电容方案难以解决的，存在一定的安全隐患。所以需要电容触摸+压力双重检测来保证可靠性和盲操性。
下图是电容触控+压感检测的车窗控制器的模块图：
图二十五 基于3D触控技术的车窗控制器方案
车窗升降控制器主要有4个模块组成：
1：通信模块：一般采用LIN接口，用于跟主机通信。
2：电容检测模块：包括几路电容检测通道，用于确认具体的按键触发事件。
3：压感检测模块：包括是电阻式压力检测模组以及采样电路，用于对表面压力进行检测。
4：中央数据处理模块：对电容数据和压感数据做融合处理，得到最后的结果，并通知主机。
泰矽微的电容+压感的3D触控车窗控制器的方案采用压力sensor来检测人手按压，用电容检测来定位相关按键位置，并且通过电机震动对用户动作的做及时的反馈，这样可以保证盲操的正确性和快速反馈。电容按键数量和压感检测数量可以根据具体应用做增加或者减少。
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