取代機械開關　電容感測器提升產品使用體驗

事實上，電容觸摸感測器介面的應用並不僅限於MP3播放機，也可以用於目前採用傳統機械開關的任何產品，如新款手機的功能表控制按鈕。利用可靠性高、引人注目並具有成本效益的電容觸摸感測器，能夠輕鬆地改變這些高階功能表控制開關的樣式。

電容觸摸感測器介面通常由一個電容感測器、一個電容數位轉換器(CDC)和一個主處理器所組成(圖1)。感測器利用標準兩層或四層印刷電路板(PCB)上的走線(Trace)或軟性電路製造，因此不需要任何外部元件或材料。

圖1　典型電容觸摸感測器介面

感測器設計須排除環境干擾

可靠的感測器必須不受外界環境變化的影響，能夠在任何工作條件下保持精確的靈敏度水準。溫度或濕度的變化會導致印刷電路板材料的特性發生變化，因此，印刷電路電容感測器的輸出位準將發生漂移。例如，當用戶從開啟空調的汽車到一個濕熱環境時，就可能出現上述情況。為避免發生斷續接觸錯誤，CDC必須包括即時的漂移補償功能(圖2)。

圖2　兩個感測器在環境條件改變時的特性

隨著環境條件的變化(例如溫度或濕度上升)，感測器的環境參數(在用戶沒有與感測器接觸期間，由CDC進行測量)會發生漂移。為了進行補償，須要動態改變高端和低端臨界值位準，以確定有效的感測器接觸。位置2、3、5、6處的參考位準進行重新調整，以保持最佳的臨界值參考位準，從而自動跟蹤和補償漂移誤差。

印刷電路板還可能受到寄生電容的影響，這種電容最大可達20皮法(pF)，它會在電容觸摸感測器受到按壓時，讓臨界值發生偏移，從而改變其靈敏度。為了對寄生電容進行補償，可以採用對DAC程式設計的方法，以抵銷CDC的輸入。對於各印刷電路板來說，這種寄生電容是一致的，因此可以在製造印刷電路板時進行簡單的調整，這樣就不需要外部電阻-電容(RC)調諧元件，從而使材料、裝配和測試相關的成本最低。單獨調整每個感測器的偏移，讓設計者可以充分利用轉換器的解析度(圖3)。

圖3　類比前端電路架構，其中DAC幫助消除寄生電容的影響。

優化靈敏度/觸覺回饋

傳統的機械開關具有使用者熟悉的靈敏度和觸覺回饋，對於電容感測器來說，這些參數也必須加以考慮和優化。不同的感測器可能需要獨特的靈敏度，這取決於開關功能或開關在產品中的物理位置。而且，一套靈敏度設置不可能適合所有的用戶，因此應該允許用戶設置不同的靈敏度水準，若能透過靈敏度控制功能表進行選擇將是最理想的。

例如，AD7142支援這些靈敏性要求，允許一個單獨的16位元靈敏度控制寄存器為每個感測器程式設計。這些寄存器也可以嵌入到主機韌體(Firmware)內，並在功能表顯示中提供，允許使用者選擇不同的靈敏度水準，以滿足其特殊需求。

圖4　電容感測方法

在用戶沒有與感測器接觸期間，如果對每個感測器輸入取樣，則會白白浪費電池電量。為使電池效率最大化，CDC應能夠檢測到用戶停止觸碰感測器，並自動切換到低功耗模式。當感測器被再度觸碰時，IC將自動重新進入正常工作模式(圖4)。

為了節省更多的功率，還應該包括一個完全關斷模式。這種情況下，只要禁用感測器，就會關斷整個IC。在便攜產品中，禁用感測器開關通常是透過設置一個機械開關，或從控制功能表內選擇阻塞模式來完成。

利用電容感測器取代傳統的機械開關還有一個好處，就是製造與裝配過程將更加簡單。傳統的機械開關需要人工把每個開關插入到塑膠殼體上的專用孔洞中，而一個包含所有這些開關的單一電容感測器板可以一步到位，放置在這個塑膠殼體下面。含有一個定位槽口的感測器板安裝孔與一些膠水，就足以完成感測器板的安裝與位置校準。

防範不可預知動作發生

主處理器板發射的電磁雜訊可能會耦合進入電容感測器和感測器走線中，導致不可預知的感測器動作，讓性能下降，但透過簡單的方法也有助於將電磁干擾(EMI)對感測器的影響降至最低。

圖5　接地金屬遮罩體可提高EMI抑制性能

首先，CDC應安裝在感測器板上，這會使感測器走線長度最短，從而降低EMI被耦合到走線中的機會。其次，利用一個具有結實接地層的四層感測器板，可以為感測器提供額外的EMI遮罩。如果這兩個方法不能有效地將EMI雜訊與感測器隔離，還可以把一個接地金屬遮罩體放置在感測器板腔的上方(圖5)。

除此之外，電容感測器電場也會耦合到產品的金屬殼或導電性金屬塗層等導電表面，導致不可預知的感測器動作，這樣就造成機械限制，要求電容感測器的邊緣與金屬表面的邊緣保持一定的距離。而且，電容感測器的靈敏度也與感測器正上方的塑膠厚度有關。如果塑膠過厚，通量電力線將不能有效地穿過塑膠，使感測器性能變得不可靠。通常，外殼與感測器之間的距離應該大於1毫米(mm)，塑膠厚度應該小於4毫米，讓靈敏度保持在適當的範圍內。

(本文作者任職於亞德諾)