電容式觸摸傳感器的應用設計

好像在突然之間，電容式傳感器就無處不在了。它被安裝在汽車座位里以控制氣囊配置和安全帶預緊裝置，在洗碗機和干燥機中以校正旋轉桶的狀態，甚至冰箱也使用其來控制自動去冰過程。但是直到現在，它最大的潛在應用領域還是觸摸開關，觸摸開關已越來越多地出現在消費電子產品中。

因為混合信號IC工藝得到廣泛的采用，這種技術允許芯片設計師優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關所不能比擬的。

如何工作

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

弛張振蕩器使用了一個電極盤，其上的電極電容構成了鋸齒波振蕩器中的可變定時單元。通過將恒定電流饋入到電極線， 電極上的電壓隨時間線性增加。該電壓提供給比較器一個輸入，而比較器的輸出連接到一個與電極電容并行連接的接地開關上。當電極電容充電到一個預先確定的閾值電壓時，比較器改變狀態，實現開關動作—對定時電容放電，打開開關，這個動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電容的值。傳感器根據不同的頻率改變來報告觸摸/無觸摸狀態。

QT器件利用了一種稱為電荷保持的物理原理。舉例來說，開關在一個短時間內施加一個電壓到感應電極上對其充電，之后開關斷開，第二個開關再將電極上的電荷釋放到更大的一個采樣電容中。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器件在突發模式采樣之后即進行數字信號處理，這種方法能提供比競爭方案更高的動態范圍和更低的功耗，而自動校準例程可以補償因為環境條件改變帶來的漂移。更重要的是，這種方法足夠靈敏，在電流透過厚的面板時不需要一個參考地連接，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。而便攜式電子產品也經常面對這種情況，它們所處的環境經常變化，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設備來說至關重要，因為它們附近經常有很強的輻射源，如：PC、手機等。

因為這個原因，QT芯片越來越多地在便攜式設備中出現。很多領先的亞洲OEM廠商都采用了這種技術，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，專門針對移動電子產品進行了優化，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個獨立的按鍵通道，QT1101支持10個通道。兩個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。這個概念很簡單，通過比較鄰近按鍵的信號電平來確定最大值，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利用一個硬件狀態線連接每個輸入通道，而QT1101通過一個串行連接輸出。像所有的QT芯片一樣，這兩種方法都利用擴譜搜索自動校準，使噪聲抑制最大化。

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

其他可能性

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

這種技術打開了很多應用之門，例如使用了平面位置檢測QT器件，終端用戶在移動電話的數字鍵盤上移動就可以輸入中文或其他復雜字符。但是這種技術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孔。

如果現有的QT硬件不能滿足客戶的需求，用戶可選用帶有可編程MCU內核的芯片。定制應用實例包括Jenn-Air Attrezzi食品攪拌機，QT芯片在這個設備中負責監測用戶的輸入，并控制功率三端雙向可控硅開關，通過一個過零同步開關來使EMC問題最小化。