電容式觸控感應(yīng)技術(shù)在家電用品設(shè)計(jì)中有哪些應(yīng)用

近來在便攜式媒體播放器、筆記型計(jì)算機(jī)、手機(jī)市場(chǎng)中陸續(xù)出現(xiàn)的各項(xiàng)令人感到興奮的電容式感測(cè)技術(shù)之應(yīng)用，讓人幾乎忘了這類界面技術(shù)早已廣泛地應(yīng)用于家電用品的設(shè)計(jì)中許多年了。感測(cè)算法與控制電路兩方面的重大進(jìn)展，讓這項(xiàng)技術(shù)適用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域。設(shè)計(jì)人員看到了電容式感測(cè)技術(shù)的價(jià)值所在—不僅可取代機(jī)械式按鍵與膜片開關(guān)；并可適用于各項(xiàng)新穎的應(yīng)用，如：觸控式屏幕與近距傳感器等。

感測(cè)電容

電容式傳感器是由導(dǎo)體片、接地面、與控制器所構(gòu)成。在多數(shù)的應(yīng)用中，導(dǎo)體片會(huì)用一片銅制電路板，而接地則用灌注填充。這兩者之間存在有原生（寄生）電容（CP）。當(dāng)其它如手指頭等導(dǎo)電物體接近傳感器時(shí)，隨著該物體的電容值（CF）增加，系統(tǒng)的電容值也隨之增加。（如圖1）

要偵測(cè)由CF造成電容值增加的方法有好幾個(gè)。場(chǎng)域效應(yīng)（Field Effect）量測(cè)方法中，在感測(cè)電容器與系統(tǒng)參考電容器之間使用交流電分壓器。藉由監(jiān)測(cè)電流在分壓器上的改變可以感測(cè)到手指觸碰時(shí)所產(chǎn)生的電容值變化。電荷轉(zhuǎn)移（Charge Transfer）則使用切換式電容器電路以及參考總線電容值，重復(fù)進(jìn)行從較小的傳感器電容器至較大總線電容器之間的電荷轉(zhuǎn)移步驟。總線電容器上的電壓值與傳感器電容值兩者之間存在著比例關(guān)系，因此在固定次數(shù)的步驟后量測(cè)電壓值，或藉由計(jì)算達(dá)到某一電壓臨界值所需的步驟次數(shù)，來決定該電容值。另外，弛張振蕩器（relaxation oscillator）則是用量測(cè)充電時(shí)間的方法，其中充電速率通常是由固定電流源的值和傳感器電容值所決定的。較大的傳感器電容器需要較長(zhǎng)的充電時(shí)間，這部份通常能運(yùn)用脈沖寬度調(diào)變器（PWM）與定時(shí)器來進(jìn)行量測(cè)。至于連續(xù)近似法（Successive Approximation）也是量測(cè)電容充電時(shí)間的方法，不同的是當(dāng)中的起始電壓是由連續(xù)近似法所決定的。

以PSoC 組件執(zhí)行的連續(xù)近似法（Cypress 申請(qǐng)之專利）采用一組電容對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換器以及單斜率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。其電容值量測(cè)方式是先藉由將電容值轉(zhuǎn)換至電壓值，接著將該電壓值儲(chǔ)存于電容器內(nèi)，然后再利用可調(diào)式電流源來量測(cè)所儲(chǔ)存之電壓值。其中電容值對(duì)電壓值轉(zhuǎn)換器乃是利用切換式電容器技術(shù)，此電路系統(tǒng)讓傳感器電容器可依其電容值反映出對(duì)應(yīng)的電壓值。切換式電容器所用的頻率則是由PSoC 本身內(nèi)部的振蕩器所產(chǎn)生。

傳感器電容器連接到模擬多任務(wù)總線上，并利用同樣連接總線的可編程電流輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（iDAC）進(jìn)行充電。每個(gè)總線上充電電量為q=CV。當(dāng)SW2 為開路且SW1 為閉路時(shí)，跨CX兩端的電位勢(shì)為零，且會(huì)減低總線上的電量，所減低的值與傳感器的電容值成比例。這種充放電的動(dòng)作會(huì)一直重復(fù)，此時(shí)傳感器電容器也會(huì)成為總線上的電流負(fù)載。（如圖2）

藉由切換式電容器的電路運(yùn)作，iDAC 就會(huì)以二元搜尋法的方式?jīng)Q定出總線上恒定的電壓值有多少。該電壓值會(huì)影響切換式電容器的切換頻率、傳感器電容值、以及iDAC 的電流值?？偩€其實(shí)也等同于一個(gè)旁路電容器（bypass capacitor），可以穩(wěn)定最終電壓。在總線上也可以增加額外的電容器，以調(diào)整電路的行為與時(shí)序。

計(jì)算所得的iDAC 值接著再度用來對(duì)總線充電，并且測(cè)量總線從初始電壓到比較器的臨界電壓所需的充電時(shí)間。初始電壓是在沒有手指觸碰的情形下，因此充電時(shí)間可事先測(cè)定。當(dāng)手指觸碰傳感器時(shí)會(huì)增加CX 的值，并且降低初始電壓，因此會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間量測(cè)。（如上公式及圖3）

建構(gòu)傳感器

電容傳感器有多種型態(tài)與功能，可以采用各式各樣的媒介，實(shí)作樣式從簡(jiǎn)單到復(fù)雜都有。而決定傳感器建構(gòu)與建置細(xì)節(jié)的還是應(yīng)用本身的需求。最常見的傳感器樣式要屬按鍵與滑桿。按鍵其實(shí)就是連接至控制器的大型導(dǎo)體片，其中所測(cè)得的電容值會(huì)與一連串的臨界值作比較，而測(cè)定結(jié)果也能藉由數(shù)字輸出獲得，或用其它模擬特性，以進(jìn)一步感測(cè)觸

動(dòng)的壓力或手指面積。至于滑桿則是許多導(dǎo)體片以直線或放射狀排列所構(gòu)成的。利用計(jì)算質(zhì)心的算法就可以測(cè)定出接觸的位置，而且分辨率遠(yuǎn)大于感測(cè)所用的針腳數(shù)。像按鍵或滑桿這類簡(jiǎn)單的電容感測(cè)器，絕大多數(shù)都會(huì)采用銅片沉積至印刷電路板。然而也能使用其它基板材質(zhì)與沈積媒介物制作電路，例如高導(dǎo)電性的銀墨（silver ink）。（如圖4）

動(dòng)態(tài)使用者接口的按鍵或觸控區(qū)則可以任意配置其顯示器樣式。這類的顯示器擁有更為平順且直覺化的互動(dòng)操作，創(chuàng)造更佳的使用者經(jīng)驗(yàn)。要建構(gòu)這類系統(tǒng)比一般簡(jiǎn)單的按鍵或滑桿更為復(fù)雜。投射式電容觸控屏幕在顯示器上多加了透明導(dǎo)電物質(zhì)。這層導(dǎo)電表面利用沈積方式附著于玻璃或PET 薄膜這類基板上，并且連接至控制電路，接著再將此基板黏著于觸控表層與顯示器之間。觸發(fā)區(qū)域測(cè)定方式與滑桿相同?？v向與橫向的兩組滑桿相互交錯(cuò)以覆蓋整個(gè)顯示區(qū)域，而且這兩個(gè)方向的滑桿會(huì)偵測(cè)觸動(dòng)位置并且輸出x 軸與y 軸數(shù)據(jù)。由于投射式電容觸控屏幕上方還有一個(gè)覆蓋層，因此也保護(hù)屏幕不受直接沖擊、彎曲、環(huán)境因素影響等常見于傳統(tǒng)電阻式觸控屏幕的傷害。

近距傳感器基本上就是很大的按鍵。近距傳感器的目的并不在偵測(cè)導(dǎo)電物體的確切位置，而是物體是否在附近。由于不需知道物體確切位置，因此反應(yīng)時(shí)間可以稍慢 （3-4ms vs. 250us）。近距傳感器的靈敏度高很多；設(shè)計(jì)得當(dāng)甚至可達(dá)30cm 的距離。也由于近距傳感器無須結(jié)合任何顯示圖形，因此在裝置中的擺放位置就有更多的彈性。無論是控制電路板外的銅線圈，或是覆蓋層后方的導(dǎo)線，都可以建置出非常基本且具成本效益的近距傳感器。（如圖5）

使用電容傳感器

電容傳感器的用途日益廣泛。上述傳感器的彈性、耐用、簡(jiǎn)潔的特性已為許多設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)?；镜倪x單瀏覽和點(diǎn)選功能依然使用按鍵方式，但使用價(jià)格實(shí)惠的電位計(jì)這種具備模擬特性的按鍵，就能建置出更多簡(jiǎn)單、具成本效益、可靠又安全的功能。

LG LA-N131DR 空氣清靜機(jī)在面板顯示器選單瀏覽的按鍵上中用了五個(gè)電容傳感器。這些按鍵讓設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)出平順的機(jī)身，同時(shí)也具備使用者接口。電容式按鍵透過四毫米的玻璃偵測(cè)有無手指觸碰。

控制電路則建置在雙層印刷電路板上沒有傳感器的一面。LG 采用PSoC 混合訊號(hào)數(shù)組來控制傳感器，并且將狀態(tài)輸出至主要的裝置處理器上。（如圖6）

近距傳感器具備反應(yīng)式背光功能，這主要是為了夜間操作或是安全因素考慮。這些情形多半需要更大的觸發(fā)組件，例如成人的手或是金屬罐子，才有辦法達(dá)到可控制的范圍。近距傳感器、按鍵、滑桿、甚至是觸控屏幕，都可利用PSoC 的單一處理器進(jìn)行控制。韌體例程則可依照使用者輸入或主機(jī)命令進(jìn)行狀態(tài)的更改。

為您創(chuàng)造電容感測(cè)應(yīng)用

PSoC 混合訊號(hào)數(shù)組內(nèi)含一個(gè)包含可組態(tài)的數(shù)字與模擬資源、閃存、RAM、8 位微控制器與其它多種功能的數(shù)組。這些特色讓PSoC 能在其CapSense 系列產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的電容感測(cè)技術(shù)。運(yùn)用PSoC的直覺式開發(fā)環(huán)境即可為裝置進(jìn)行組態(tài)與重新組態(tài)，以符合設(shè)計(jì)規(guī)格或任何規(guī)格變更。新感測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)提升了感測(cè)靈敏度與抗噪聲能力，并且減少功耗、增加升級(jí)速率，讓設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造出更好的應(yīng)用產(chǎn)品。