顯示螢幕/塑料面板應用相輝映
電容觸控改寫人機介面設計

目前市場上通稱的電容感應技術，其實包含許多種不同的架構，其中有些架構對於電磁干擾或突然出現的溫溼度變化抵抗力較差，而電荷轉移(QT)架構則在這些干擾項目上具備更強的抵禦能力。此外，部署在顯示面板或塑料面板中的電極，其部署形式也有許多差別，如有些按鍵數量較多的應用，採用橫向模式 (Transverse-mode)電極結構，便可提高按鍵的部署密度；還有些特殊的結構，適用於輔助線性滑條類控制，例如可攜式音樂播放器的音量控制；此外，在蘋果(Apple)的iPod音樂播放器風靡市場後，許多類似產品也紛紛採用類似的觸摸式撥輪控制設計。  

由於電荷轉移式電容觸控技術可以滿足多種人機介面配置需求，因此其應用領域遍及家電、手機、筆記型電腦等各類電子產品，和近來引發風潮的觸控螢幕相互輝映，帶動所有電子產品人機介面設計的流行趨勢。  

電荷轉移式電容感應具備高穩定度特性  

進一步探究電荷轉式移電容感應機制的運作原理(圖1)。在一對感應電極內，含有一個電場驅動電極和一個接收電極。驅動發射電極會產生一串猝發式邏輯脈衝，而接收電極則透過覆蓋在上面的介質前面板去收集由發射電極輻射出來的大部分電荷。

圖1　兩個電極之間的電荷場流。觸摸可吸收該電場，導致所收集的電荷減少。

由於人體在接近觸控面板時，將會以電弧的方式導開通過前面板的一部分場線，而所吸收的部分會再透過各種電容通道被人體重新輻射回去，因此導致電場的耦合強度會因人手觸摸而產生變化。  

通過電極結構的相互電容耦合訊號，會被收集到一個與驅動脈衝同步開關的取樣電容上(圖2)。該技術還利用了一串脈衝來提高訊號雜訊比。每串脈衝中的脈衝數量還會影響到電路的增益，因為脈衝數越多，收集的電荷將越多，會讓所收集的訊號越強。透過調整脈衝串的長度，便可以輕易改變電路的增益，以配合不同按鍵尺寸、面板物料和面板厚度。

圖2　電荷轉移式電容感應中的雙斜率電路

脈衝串產生第一個斜率，就是施放到取樣電容上的一個階梯電壓。此電壓會經過電極電荷交叉耦合進行充電。當脈衝串結束後，斜率電阻被置為高電平，對取樣電容進行放電，直到將電荷放完而出現零交叉點為止，而達到零交叉點所需的斜率時間長短就是人手觸摸所產生的訊號。該電路的雙斜率特性，使電路在極大的工作溫度範圍仍能十分穩定。  

脈衝串過後，透過將斜率轉換電阻置於高電平，對取樣電容上的電荷進行轉換，並檢測出零交叉點，從而得到X-Y電極電荷耦合成正比的計時器數值，該數值同時反映了手指觸摸所引起的電荷吸收。由於手指觸摸吸收電荷，因此被測訊號隨著觸摸而減弱。在脈衝串階段引起取樣電容上的電荷形成負向的斜率，而斜率轉換則引起電容器的正向斜率，其實際結果是轉換過程成為「雙斜率」，而且基本不依賴於取樣電容值，在時間和溫度範圍內也非常穩定。  

高密度設計宜採掃描式矩陣架構  

對於需要大量觸控按鍵的應用而言，將許多按鍵視為一個矩陣中不同元素的設計思維，有助於協助設計人員簡化系統設計工作，並提升元件和控制面板間的連線效率。  

在實做上，採用掃描式橫向電極無源矩陣的設計則是最具效率的作法。這種構造可提高感應晶片的接腳利用效率，與每個按鍵都須透過一條感應連線的傳統作法相比，採用矩陣式架構將可大幅減少晶片和按鍵矩陣之間的連線數量(圖3)。

圖3　以矩陣式架構設計觸控按鈕，可大幅簡化連線數量，帶來更低的系統製造成本。

連線數量減少，意味著能有效撙節成本。根據愛特梅爾(Atmel)的研究顯示，在量產時，採用矩陣式設計來實現大量按鍵功能，在最理想的情況下，可將每個按鍵的實做成本降低到0.05美元的水準。  

利用電容式觸控方案來取代傳統機械式按鍵，雖然可以享受到全密封的塑料面板所提供的防水保護，但水滴本身會造成耦合訊號的變化，因此若架構本身不具被一定的抗潮濕能力，將使得產品在潮濕環境下的操作可靠度降低。  

而矩陣式架構正好額外提供了其他電容性解決方案所缺乏的潮濕抑制特性。首先，如凝露、薄霧或水珠等局部水滴只會引起耦合訊號的略微增加。由於手指觸摸會使得訊號減小，但潮濕卻會對訊號耦合產生增強的結果，因此不會造成錯誤檢測。  

但若是在觸控表面存在一大片潮溼水漬，便可能引走電荷，導致錯誤感應的情況發生。為了解決這個問題，設計工程師可利用一個窄小的閘控時間，將電荷讀取工作限制在緊隨脈衝邊緣的一段短時間內，從而抑制電荷流失。  

由於水點可形成一個相對於時間的分散式電阻電容(RC)網路，若縮短閘控時間至微秒級或更短的時間，即可大幅抑制由水點引起訊號減小的影響，進一步降低錯誤檢測的機會。  

由於這項特性，使得量研(Quantum)在完成此一矩陣式元件的商品化後，第一個應用導入的案例便是一款廚房小家電，因為廚房中的電器用品對潮濕的抵抗性要求極高。  

由於此一架構優異的抗射頻干擾能力，因此後來被大量導入到手機應用中。在這個架構中，由於電極始終連接在一個低阻電路上，加上其電場是封閉和自體遮蔽的，因此外部干擾對感應按鍵的影響不大。  

有些元件供應商還額外採用了展頻(Spread Spectrum)技術，以抑制外部輻射和外部電場干擾。這項特性對於目前內建多種射頻收發功能的智慧型手機應用，無疑是非常實用的一點。  

值得一提的是，此一架構雖然以矩陣命名，但是其感應點排列並不受限於方正的矩型設計，例如設計人員可透過多條X驅動和Y接收線，將按鍵電極設定到交叉點上構成的多鍵矩陣，鍵盤按鍵會如機械鍵盤般按時順序掃描。但按鍵的布置也可完全隨意設定到面板的任何地方，並不一定要設定成如圖3所示的矩形陣列。  

由於按鍵訊號不會交叉干擾，故即便是彼此相鄰放置也沒有問題；而電極本身也不受相鄰的接地金屬的影響，甚至可以將電極放置到距離機殼或接地面1毫米以內的位置。不過值得注意的是，Y線周邊過多的接地線會吸收一些收集電荷，從而降低增益，故Y線的電容性負載須有一些實際限制。  

材料選擇多樣化打造百變應用  

除了配置方式彈性化之外，電極本身的材料選擇也極有彈性，可以使用任何導體，如電路板銅線或銀線，甚至是石墨也可以。用來製作電極的材料可以是最普遍的傳統電路板，透過膠貼黏合控制板的背面。由於訊號足夠強且很可靠，故晶片、電路和電極都可以放置到電路板遠離觸摸表面的同一邊，所以可以採用非常便宜的單面沖孔型CEM-1電路板，其價格通常比FR-4型便宜一半。  

如圖4所示，設計人員可以使用成本極低的0歐姆跳線器來實現交叉，再採用工業用膠貼將電路板黏到前面板的背面。另一種節約成本的方法是採用具有沖孔並在兩面都有銀網的聚酯薄膜來製作矩陣電極層。薄膜上有一接線，以便將薄膜插入具有晶片和電路的控制器電路板中(圖5)。

圖4　採用廉價的單面CEM-1電路板，感應電場背對穿過電路板、膠層和前面板，其訊號強度集中在前面板方向上，使用0歐姆的跳線器作為交叉。

圖5　利用PET薄膜和銀網所實作的電容觸控式鍵盤。該鍵盤只需十六條連接線路(8X+8Y)，即可實現一個具備六十四顆按鍵的鍵盤。

為了提供回饋功能或增加產品的美觀，背光按鍵設計始終都是設計人員興趣所在。在電容式觸控中，要實現這類設計的步驟非常簡單，只須在電路板上開個缺口，並將驅動/接收電極環繞表面貼裝的發光二極體(LED)及其焊墊和連線，即可把多個LED放置到電容式觸控鍵盤中央。這種設計甚至可應用於單面電路板上。  

這種技術甚至可以實現極具時尚感的透明外觀設計，例如在聚酯薄膜這類的清晰透明基板上，工程師可以使用愛克發(Agfa)生產的Orgacon材料以及可印刷的氧化銦錫(ITO)材料來實現透明的背光分離按鍵。再用透明的薄黏貼膠膜，將聚酯薄膜粘合到前面板的背面，這樣置於這一層後面帶有LED的電路板 便能產生所需的背光。而採用光導和散光罩更可以增強光學性能表現。  

另一種透明材料則可實現目前在行動通訊市場上最熱門的觸控螢幕應用。利用特製型號的元件，感應元件還可驅動由聚酯薄膜上的單層或雙層氧化銦錫製成的透明電容式觸控面板(圖6)。

圖6　由於觸控按鍵和觸控面板使用的技術原理相同，因此利用客製化的單晶片即可同時驅動電路板電極以及ITO薄膜上的鍵盤，整合成一體設計。

利用一顆晶片即可驅動傳統的鍵盤和觸控面板兩種鍵盤，從而製成與整個前面板主處理器的無縫介面。將ITO膜連接到掃描矩陣，就可在液晶顯示器(LCD)建立許多分離按鍵。  

以這種方式製成的觸控面板耐用度極高，在正常使用狀況下幾乎不可能損壞，並比電阻性觸控螢幕具備更好的透光度。圖7為利用單一元件將電容式觸控鍵盤與觸控螢幕整合成一體設計的實際案例，該產品為由惠而浦(Whirlpool)公司生產的Velos微波爐(圖7)。

圖7　惠而浦Velos微波烤爐採用單晶片來驅動二十一個傳統的觸控按鍵，以及構成LCD觸控螢幕上十個透明ITO薄膜式按鍵。該設計採用了單層CEM-1電路板，成本很低。

但這項技術也有一些應用上的限制，例如由於電極間的電場的封閉特性，這類元件不大適用於接近式感應設計，除非採用間隔距離較遠的大電極，使場線能夠輻射到面板前方的自由空間。  

因此，若設計人員想利用電荷轉移技術來實現接近感應器，往往得選擇比較特殊的元件，以允許場線能夠以較良好的途徑輻射到自由空間。  

客製化元件仍有必要  

雖然本文中所提到的各種應用案例，背後所使用的幾乎都是同一款元件。但在某些應用狀況下，設計人員還是應該考慮使用客製化的解決方案，以滿足產品的規格或成本需求，如某些不支援安全自我檢查功能(FMEA)的低成本元件，便較適合運用在手機、MP3等可攜式應用上。  

因為電容感應觸控元件自從在1999年研發成功後，其主要應用集中在廚房領域，主要的客戶包括美國惠而浦、德國Miele和瑞典伊萊克斯(Electrolux)等廚房家電用品的製造商。  

因此，此一技術在發展之初，含有所有的訊號濾波，防止反跳邏輯，以及自動漂移補償電路，以令晶片的可靠工作壽命可長達幾十年之久。  

這些元件中有許多包括失效模式和影響分析自我檢查子程式，報告任何類型的電路故障，例如用於故障安全(Fail-safe)運作引起的的短路和開路，使這些元件特別適合於廚房和汽車應用。  

當矩陣式技術隨後開始廣泛導入到各種手持式裝置後，新的應用情境帶來許多新的應用需求，例如矩陣式技術雖然可以實現非常高密度的按鍵設計(圖8)，但由於可攜式裝置本身的外觀尺寸有限，再加上高密度按鍵配置的結果，往往讓使用者無法準確觸碰到所想按的按鍵，或是同時按到多顆按鍵。這種情況被稱為模糊碰觸。

圖8　在狹小的空間中整合大量按鍵或滑條，經常會造成模糊碰觸的現象。

為了解決此一問題，元件供應商必須發展出精密的演算法，來分析被同時觸摸到的按鍵所造成的訊號變化強度，藉此推測出使用者真正的意欲為何。也唯有透過這套訊號分析技術，才能解決在可攜式裝置上使用者總是按不準的問題。這項技術也可以被用來運用在實現虛擬鍵盤鎖功能上，避免可攜式裝置放在使用者口袋中所產生的按鍵誤觸。  

軟體元件庫有助加速設計流程  

在競爭激烈的消費性電子與可攜式裝置領域，產品研發工程師必須快速完成產品設計，才能搶得市場先機。雖然目前市面上已有許多通用型或客製化的電容式觸控晶片，但對於介面設計而言，軟體設計往往比硬體來得更為關鍵，也必須耗費更大的心力。  

為了加速軟體設計工作的速度，將某些常用的人機介面設計元素，如按鍵、撥輪、滑條(圖9)等，以標準函式庫(Library)的型態提供給系統產品的研發團隊，已是勢在必行。目前市場上有些供應商便已經提供免授權費用的軟體函式庫來方便研發工程師快速開發出其所想要的觸控應用，例如將函式庫連接到其產品的韌體，以為開發專案添加觸控功能。

圖9　透過軟體函式庫的幫助，研發人員可快速將標準的人機介面元素導入到自家的產品設計中。

值得注意的是，隨著近來市面上開始出現整合觸控感應的微控制器(MCU)，日後系統設計以單晶片來滿足控制、運算與觸控介面功能的例子，將會日益普遍。因此，軟體工程師在選擇函式庫時，應特別注意函式庫是否具備共同的應用軟體中介層，以方便工程師將觸控介面設計的軟體程式碼移植到不同的MCU平台中(圖10)。盡可能追求軟體設計重用，是加速終端產品上市的不二法門。

圖10　為了因應日後單晶片化的發展趨勢，函式庫與為MCU開發的客製程式碼間的整合性將日益重要。

人機介面是技術更是藝術

人機介面存在的目的，是為了讓使用者能更輕鬆方便地操作各種機器設備。電容觸控感應由於能實現更堅固、優雅的操作介面設計，因而成為引領這波介面設計革命的幕後推手之一。  

但不可忽視的是，一款人機介面的設計要獲得消費者青睞，甚至如蘋果的各種可攜式產品般引領市場風潮，除了技術層次的要素外，對於使用者的深入理解與研究，往往扮演著更重要的角色。因此，終端產品製造商終究還是要回歸使用者心理的層次，在改善操作便利性與外觀美感上投注心力，才能創造出令市場驚艷的產品。  

(本文作者為愛特梅爾電容感應技術總監)