電容式觸摸傳感器提升應用設計

因為混合信號IC工藝得到廣泛的采用，這種技術(shù)允許芯片設計師優(yōu)化芯片的模擬和數字子系統，以構建具有前所未有的靈敏度和耐用性的電容式傳感器，而且成本是機械式開(kāi)關(guān)所不能比擬的。

如何工作

電容式傳感器基本上可以分成三類(lèi)：電場(chǎng)傳感器、基于弛張振蕩器的傳感器以及電荷轉移(QT)器件。電場(chǎng)傳感器通常會(huì )產(chǎn)生數百kHz的正弦波，然后將這個(gè)信號加在電容一個(gè)極板的導電盤(pán)上，并檢測另外一個(gè)導電盤(pán)上的信號電平。當用戶(hù)的手機或另外的導體對象接觸到兩個(gè)盤(pán)的時(shí)候，接收器上的信號電平將改變。通過(guò)解調和濾波極板上的信號，可能獲得一個(gè)直流電壓，這個(gè)電壓隨電容的改變而變化；將這個(gè)電壓施加在閾值檢測器上，即可以產(chǎn)生觸摸/無(wú)觸摸的信號。

弛張振蕩器使用了一個(gè)電極盤(pán)，其上的電極電容構成了鋸齒波振蕩器中的可變定時(shí)單元。通過(guò)將恒定電流饋入到電極線(xiàn)， 電極上的電壓隨時(shí)間線(xiàn)性增加。該電壓提供給比較器一個(gè)輸入，而比較器的輸出連接到一個(gè)與電極電容并行連接的接地開(kāi)關(guān)上。當電極電容充電到一個(gè)預先確定的閾值電壓時(shí)，比較器改變狀態(tài)，實(shí)現開(kāi)關(guān)動(dòng)作—對定時(shí)電容放電，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，這個(gè)動(dòng)作將周期性的重復下去。其結果是，比較器的輸出是脈沖串，其頻率取決于總的定時(shí)電容的值。傳感器根據不同的頻率改變來(lái)報告觸摸/無(wú)觸摸狀態(tài)。

QT器件利用了一種稱(chēng)為電荷保持的物理原理。舉例來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)在一個(gè)短時(shí)間內施加一個(gè)電壓到感應電極上對其充電，之后開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，第二個(gè)開(kāi)關(guān)再將電極上的電荷釋放到更大的一個(gè)采樣電容中。人手指的觸摸增大了電極的電容，導致傳輸到采樣電容上的電荷增加，采樣電容因此改變，據此就能得出檢測結果。

QT器件在突發(fā)模式采樣之后即進(jìn)行數字信號處理，這種方法能提供比競爭方案更高的動(dòng)態(tài)范圍和更低的功耗，而自動(dòng)校準例程可以補償因為環(huán)境條件改變帶來(lái)的漂移。更重要的是，這種方法足夠靈敏，在電流透過(guò)厚的面板時(shí)不需要一個(gè)參考地連接，因此適合電池供電的設備。Quantum（量研公司）的QT芯片就是采用這種方法。

應用實(shí)例

QT芯片出現在一系列具有挑戰性的應用中，如微波爐和爐灶面控制。它在這些應用中必須承受很高的濕度、污染挑戰。而便攜式電子產(chǎn)品也經(jīng)常面對這種情況，它們所處的環(huán)境經(jīng)常變化，因此QT傳感器也非常適合這種應用。QT傳感器在干擾下的高電阻對于移動(dòng)設備來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因為它們附近經(jīng)常有很強的輻射源，如：PC、手機等。

因為這個(gè)原因，QT芯片越來(lái)越多地在便攜式設備中出現。很多領(lǐng)先的亞洲OEM廠(chǎng)商都采用了這種技術(shù)，包括DEC、JW Digital、松下和Microstar。例如，在JWM-8110閃存播放器中就采用了QT1080，而Microstar在其Mega Player 536 MP3播放器中采用了QT1101。這些芯片可以工作在2.8～5.5V電源電壓下，吸收的電流大約為40μA，專(zhuān)門(mén)針對移動(dòng)電子產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化，采用了5mm×5mm×0.8mm QFN封裝，這種封裝是空間有限的手機和遙控設備所必需的。QT1080支持8個(gè)獨立的按鍵通道，QT1101支持10個(gè)通道。兩個(gè)芯片都包括鄰近按鍵抑制(AKSTM)功能，可以確保芯片正確地識別手指的位置。這個(gè)概念很簡(jiǎn)單，通過(guò)比較鄰近按鍵的信號電平來(lái)確定最大值，這樣就能確定“真正的”手指位置。設計者可以自行選擇是否啟用AKS功能。QT1080利用一個(gè)硬件狀態(tài)線(xiàn)連接每個(gè)輸入通道，而QT1101通過(guò)一個(gè)串行連接輸出。像所有的QT芯片一樣，這兩種方法都利用擴譜搜索自動(dòng)校準，使噪聲抑制最大化。

一般可用多輸入通道實(shí)現滑動(dòng)按鍵或旋轉按鍵，而專(zhuān)用的QT系列芯片只用三個(gè)分辨率為7位(128點(diǎn))的通道就能實(shí)現高分辨率線(xiàn)性滑動(dòng)或旋轉界面。例如QT511(該芯片的主要目標應用也是便攜式電子產(chǎn)品)使用三個(gè)感應通道來(lái)驅動(dòng)通用電氣公司的一位發(fā)明家于1978年設計的電極圖形，可返回一個(gè)128點(diǎn)的結果。

其他可能性

很多設計師都利用QT芯片來(lái)替代電阻式觸摸屏。因為該方法只需要將單透明層鋪設在屏幕上用于感測，與多層電阻式技術(shù)相比，對光線(xiàn)的吸收大大降低。OEM廠(chǎng)家還使用多通道傳感器來(lái)實(shí)現可編程的不透明觸摸表面，面板的配置由軟件來(lái)調配，這能幫助降低材料成本。同樣的辦法還為用戶(hù)依據個(gè)人喜好配置觸摸屏提供了可能，用戶(hù)可從網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器下載規格，或者自己運行一個(gè)配置程序。

這種技術(shù)打開(kāi)了很多應用之門(mén)，例如使用了平面位置檢測QT器件，終端用戶(hù)在移動(dòng)電話(huà)的數字鍵盤(pán)上移動(dòng)就可以輸入中文或其他復雜字符。但是這種技術(shù)的最大應用是平面坐標觸摸屏，在這種應用中，下表面感測薄膜可以替代電阻式屏，而單層薄膜獲得高透明度和低成本，不需要在前面板中開(kāi)孔。

如果現有的QT硬件不能滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，用戶(hù)可選用帶有可編程MCU內核的芯片。定制應用實(shí)例包括Jenn-Air Attrezzi食品攪拌機，QT芯片在這個(gè)設備中負責監測用戶(hù)的輸入，并控制功率三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)，通過(guò)一個(gè)過(guò)零同步開(kāi)關(guān)來(lái)使EMC問(wèn)題最小化。