- 電容式感測技術在手機觸摸屏的應用
- 建立噪聲預算
- 移動意味著低功率
- 運用可編程解決方案
電容式感測用戶界面正作為手機中機械按鍵的一種實用的創新替代方案脫穎而出。雖然電容式傳感器可被視作傳統按鍵的簡易替代方案，但該技術不僅僅是半球型開關的一種升級。當手機采用觸摸式傳感器來實現時，手機制造商在設計中可獲得一種令人激動的嶄新的外觀感覺選擇。
利用電容式傳感器，手機按鍵，即鍵墊(key mat)，無需移動式元件就可以實現，這樣會形成平順光滑的接觸表面。此外，設計人員還可在機械按鍵頂端選用電容式感測，輕按會觸發電容式傳感器，重按則激活機械開關。
整合了這種技術的手機不僅能感測手指的位置，還能感測到手指對按鍵施加壓力的輕重。輕按可能與電話號碼簿翻頁有關，重按則可能是往選定號碼撥打電話。
近年來手機設計中出現的最引人注目的趨勢之一是電容式傳感器和透明導體的結合。這種透明鍵墊為設計人員提供了許多具創造性的選擇。
電容式感測的SNR基準推薦
在手機設計中實現一個穩健的電容式感測設計的關鍵在于獲得大的信噪比(SNR)。在電子通信和其它工程領域，SNR一般以分貝表示。但在手指感測應用中，不建議采用dB作為SNR的測量單位，因為對它的計算方法還不確定。基于功率的dB公式是10 ? log(P2/P1)，基于電壓幅度的公式是20 ? log(V2/V1)，但究竟哪一個公式更適合于觸摸應用尚不清楚。此外，在“觸摸的分貝數”的解釋方面也存在著混淆。為了避免這些問題，Cypress 半導體公司采用一種簡單的比率作為電容式感測SNR的首選基準。Cypress給出的最佳實踐指南是信號比噪聲至少大5倍。按照工程術語，就是最小SNR 為5:1。
如何測量SNR
觸摸傳感器應用中的SNR根據傳感器輸出端的計數值來測定。比如，傳感器上沒有手指時峰峰噪聲為8。當手指放在傳感器上時，獲得的信號是 118，則SNR為118:8，約為15:1。
SNR的測量應該考慮到最好情況和最壞情況。最好情況是指較大的手指放在傳感器墊片中心。最壞情況是較小的手指偏離中心放置。在手機系統的早期開發中，利用真實的手指來測試是一種可接受的方法。若開發人員希望測試更加與操作者無關，并且可重復，可以用金屬盤或棒來代替真實手指。
由于覆蓋膜(overlay)厚度會削弱信號強度，因此，較穩妥的辦法是系統開發時采用比預計稍厚的覆蓋膜。為避免較高級固件的屏蔽效應，利用原始的未壓縮的傳感器計數值來測量SNR。當沒有手指觸摸時，關斷任何讓傳感器輸出歸零的自補償或自動校準功能。
圖1: 手指壓力決定信號和噪音的構成。
建立噪聲預算
管理電容式傳感器性能的方法之一是建立噪聲預算，這包括列出可能降低系統SNR的噪聲源。對于手機，這些噪聲源有內部IC噪聲、RF噪聲和交流線路噪聲。估算每一個噪聲源對傳感器計數值的影響。把這些計算值加上額外施加的計數值的總和作為設計余量，將會使SNR大于5:1。
手機本身就產生了一個RF能量很高的環境，這對系統的影響可能大于往系統里增加少量噪聲計數。電容式傳感器靠近RF發射器工作帶來的問題是，傳感器的線跡相當于有效天線。大量RF能量與控制器IC的耦合可能在傳感器系統中導致不良后果，造成觸摸感測的失敗。這種潛在問題的一個簡單解決方案是利用串聯電阻來抑制諧振。數百歐姆的電阻和傳感器的輸入串聯，并盡可能靠近控制IC的引腳放置，足以防止這類問題的發生。
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移動意味著低功率
對手機而言，電容式感測解決方案的功耗必需很低。對于電池供電的移動設備而言，低功率的目標要求控制器向主控器件報告的速度不應該過快，對傳感器的掃描時間也不應該過長，若無其它事件待處理時應該進入睡眠狀態。
延長電池壽命的關鍵是把傳感器有效掃描和處理數據時流經的平均電流降至最低。平均電流可以通過簡單的有功電流和睡眠電流的時間加權平均計算來求得，故掃描之間控制器的睡眠時間越長，電池壽命越長。
長睡眠時間間隔的一個實際限制是系統的延遲，亦即觸摸事件和系統對觸摸的響應之間的遲滯。在非技術性用戶看來，大的延遲表現為按鍵的反應遲緩。極端而言，極長的睡眠時間間隔會導致按鍵一段時間失效。
在手機設計中，解決上述問題在于在傳感器快速響應和低功耗之間找到一個良好的平衡點。對于手機設計，30-50ms的延遲是個不錯的目標。要把功耗降到更低，如果很長時間都沒有用戶輸入，開發人員常常讓傳感器進入更長延遲模式。這種較慢的掃描模式，被稱為待機模式，有100ms或更長的延遲。一旦出現用戶輸入，系統立即進入有效掃描模式，按鍵響應速度更快。
下面的實例計算顯示了在一個帶有12個傳感器的手機設計中，如何在待機模式下實現低至33mA的平均電流。掃描時間設為每傳感器 0.5ms(t1 = 0.5×12= 6ms)。待機模式下的報告速率為100ms，故睡眠時間間隔設置為94ms (t2= 100?C6ms)。睡眠電流和有功電流可在控制器IC數據手冊中查到(ISleep=3?A，IActive=1,500?A)。把這些參數代入平均電流IAVE計算公式，可求得平均電流為93?A。
如果待機模式下只有一部分傳感器被掃描，那么平均電流可能更低。把12個傳感器分為3個一組，可減少掃描時間 (t1=0.5×12/3=2ms)。這種情況下，平均電流降至33?A。
機械方面的考慮事項
系統設計中，機械層疊是一個重要的考慮因素，因為手機的外殼日趨纖薄。事實上，傳感器線跡布局不佳和覆蓋膜材料厚度過大是手機中SNR偏低的主要原因。
電路板一般是柔性電路，在某些情況下，也有可能是一種很薄的剛性板。電路板通過絕緣粘合膜的薄層被安裝在覆蓋膜上，從而提高了從傳感器到覆蓋膜的電場耦合。該粘合層還形成了一個能夠對手指輕壓和重壓都穩定響應的機械系統。1-3mm的覆蓋膜厚度是比較理想的，這樣可在不過度削弱電容式感測信號的情況下為手機提供所需的封裝機械強度。
圖2: 手機電容傳感器的機械層疊截面圖。
可編程解決方案
進入編程階段時，系統控制器有多種選擇。在專用器件方面是只負責掃描傳感器和輸出數據的固定功能器件。在高度集成及靈活的器件方面，是可以執行大范圍電容感測功能的可編程感測器件，包括按鍵、滑標、觸摸板和接近度傳感器。
此外，這種靈活性還可以簡化最后一分鐘的設計變化，并支持一般由一個或多個器件完成的非電容式感測功能。例如，手機可能需要多項功能，包括利用鍵墊完成的電容式感測、通過光電二極管進行的環境光感測、經由加速計實現的傾斜感測，以及當手機設置為振動模式時小型電機運行所需的電機驅動。所有這些功能都能夠通過用C語言開發的靈活軟件集成到單芯片中。
讓我們以下列情景為例，來看看一個可編程方案所帶來的價值。由于所有感測和控制功能都由軟件控制，故有可能把電容式傳感器配置為在低功率待機模式下的接近度檢測，也可能把同一個傳感器配置為正常工作模式下的觸摸傳感器。在待機模式下，接近度傳感器掃描手指是否出現在上述任何電容式傳感器上方1或 2cm的區域。
當感測到有手指接近時，傳感器可由軟件重配置，讓觸摸感測功能取代接近度感測功能。手機將繼續工作在這種模式下，直到用戶停止和電容式傳感器的交互。這時，接近度傳感器把手機設置回待機模式。
透明電容
手機中觸摸感測的最新趨勢是在玻璃或塑料膜上使用氧化銦錫(ITO)。ITO是一種導電材料，作為薄膜運用時是透明的。這種材料已在電阻式觸摸屏中使用多年。現在，微控制器的最新發展成果又使電容式觸摸屏成為可能。電阻式觸摸屏由于依賴觸摸表面的機械變形，故很容易損壞，需要更換。而電容式ITO觸摸屏不需要機械變形來實現。電容式ITO觸摸屏超越標準電阻式觸摸屏的優點之一就是摒棄了這種易發生故障的機械模式。
