中心議題：

• 電容式感測技術在手機觸摸屏的應用

解決方案：

• 建立噪聲預算
• 移動意味著低功率
• 運用可編程解決方案

電容式感測用戶界麵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kebeishizuochuantonganjiandejianyitidaifangan，dangaijishubujinjinshibanqiuxingkaiguandeyizhongshengji。dangshoujicaiyongchumoshichuanganqilaishixianshi，shoujizhizaoshangzaishejizhongkehuodeyizhonglingrenjidongdezhanxindewaiguanganjiaoxuanze。

利用電容式傳感器
，手機按鍵
，即鍵墊(key mat)，無(wu)需(xu)移(yi)動(dong)式(shi)元(yuan)件(jian)就(jiu)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)，這(zhe)樣(yang)會(hui)形(xing)成(cheng)平(ping)順(shun)光(guang)滑(hua)的(de)接(jie)觸(chu)表(biao)麵(mian)。此(ci)外(wai)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)還(hai)可(ke)在(zai)機(ji)械(xie)按(an)鍵(jian)頂(ding)端(duan)選(xuan)用(yong)電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)測(ce)
，輕(qing)按(an)會(hui)觸(chu)發(fa)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)，重(zhong)按(an)則(ze)激(ji)活(huo)機(ji)械(xie)開(kai)關(guan)。

zhenghelezhezhongjishudeshoujibujinnengganceshouzhideweizhi，hainenggancedaoshouzhiduianjianshijiayalideqingzhong。qingankenengyudianhuahaomabufanyeyouguan
，zhonganzekenengshiwangxuandinghaomabodadianhua。

近jin年nian來lai手shou機ji設she計ji中zhong出chu現xian的de最zui引yin人ren注zhu目mu的de趨qu勢shi之zhi一yi是shi電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi和he透tou明ming導dao體ti的de結jie合he。這zhe種zhong透tou明ming鍵jian墊dian為wei設she計ji人ren員yuan提ti供gong了le許xu多duo具ju創chuang造zao性xing的de選xuan擇ze。

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於獲得大的信噪比(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。基於功率的dB公式是10 ? log(P2/P1)，基於電壓幅度的公式是20 ? log(V2/V1)，但究竟哪一個公式更適合於觸摸應用尚不清楚。此外，在“觸摸的分貝數”的解釋方麵也存在著混淆。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。

SNRdeceliangyinggaikaolvdaozuihaoqingkuanghezuihuaiqingkuang。zuihaoqingkuangshizhijiaodadeshouzhifangzaichuanganqidianpianzhongxin。zuihuaiqingkuangshijiaoxiaodeshouzhipianlizhongxinfangzhi。zaishoujixitongdezaoqikaifazhong，liyongzhenshideshouzhilaiceshishiyizhongkejieshoudefangfa。ruokaifarenyuanxiwangceshigengjiayucaozuozhewuguan，bingqiekezhongfu，keyiyongjinshupanhuobanglaidaitizhenshishouzhi。

由於覆蓋膜(overlay)厚hou度du會hui削xue弱ruo信xin號hao強qiang度du，因yin此ci，較jiao穩wen妥tuo的de辦ban法fa是shi係xi統tong開kai發fa時shi采cai用yong比bi預yu計ji稍shao厚hou的de覆fu蓋gai膜mo。為wei避bi免mian較jiao高gao級ji固gu件jian的de屏ping蔽bi效xiao應ying，利li用yong原yuan始shi的de未wei壓ya縮suo的de傳chuan感gan器qi計ji數shu值zhi來lai測ce量liangSNR。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係統SNR的噪聲源。對於手機，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餘量，將會使SNR大於5:1。

手機本身就產生了一個RF能量很高的環境，這對係統的影響可能大於往係統裏增加少量噪聲計數。電容式傳感器靠近RF發射器工作帶來的問題是，傳感器的線跡相當於有效天線。大量RF能量與控製器ICdeouhekenengzaichuanganqixitongzhongdaozhibulianghouguo，zaochengchumogancedeshibai。zhezhongqianzaiwentideyigejiandanjiejuefanganshiliyongchuanliandianzulaiyizhixiezhen。shubaioumudedianzuhechuanganqideshuruchuanlian，bingjinkenengkaojinkongzhiIC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

duishoujieryan，dianrongshigancejiejuefangandegonghaobixuhendi。duiyudianchigongdiandeyidongshebeieryan，digonglvdemubiaoyaoqiukongzhiqixiangzhukongqijianbaogaodesudubuyinggaiguokuai，duichuanganqidesaomiaoshijianyebuyinggaiguochang，ruowuqitashijiandaichulishiyinggaijinrushuimianzhuangtai。

延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)的(de)關(guan)鍵(jian)是(shi)把(ba)傳(chuan)感(gan)器(qi)有(you)效(xiao)掃(sao)描(miao)和(he)處(chu)理(li)數(shu)據(ju)時(shi)流(liu)經(jing)的(de)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)。平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)簡(jian)單(dan)的(de)有(you)功(gong)電(dian)流(liu)和(he)睡(shui)眠(mian)電(dian)流(liu)的(de)時(shi)間(jian)加(jia)權(quan)平(ping)均(jun)計(ji)算(suan)來(lai)求(qiu)得(de)，故(gu)掃(sao)描(miao)之(zhi)間(jian)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)睡(shui)眠(mian)時(shi)間(jian)越(yue)長(chang)，電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)越(yue)長(chang)。

長(chang)睡(shui)眠(mian)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)的(de)一(yi)個(ge)實(shi)際(ji)限(xian)製(zhi)是(shi)係(xi)統(tong)的(de)延(yan)遲(chi)

，亦(yi)即(ji)觸(chu)摸(mo)事(shi)件(jian)和(he)係(xi)統(tong)對(dui)觸(chu)摸(mo)的(de)響(xiang)應(ying)之(zhi)間(jian)的(de)遲(chi)滯(zhi)。在(zai)非(fei)技(ji)術(shu)性(xing)用(yong)戶(hu)看(kan)來(lai)
，大(da)的(de)延(yan)遲(chi)表(biao)現(xian)為(wei)按(an)鍵(jian)的(de)反(fan)應(ying)遲(chi)緩(huan)。極(ji)端(duan)而(er)言(yan)，極(ji)長(chang)的(de)睡(shui)眠(mian)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)會(hui)導(dao)致(zhi)按(an)鍵(jian)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)失(shi)效(xiao)。

在手機設計中，解決上述問題在於在傳感器快速響應和低功耗之間找到一個良好的平衡點。對於手機設計，30-50msdeyanchishigebucuodemubiao。yaobagonghaojiangdaogengdi，ruguohenchangshijiandoumeiyouyonghushuru，kaifarenyuanchangchangrangchuanganqijinrugengchangyanchimoshi。zhezhongjiaomandesaomiaomoshi，beichengweidaijimoshi，you100ms或更長的延遲。一旦出現用戶輸入，係統立即進入有效掃描模式
，按鍵響應速度更快。

下麵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製器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。

如果待機模式下隻有一部分傳感器被掃描，那麼平均電流可能更低。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。

機械方麵的考慮事項

係xi統tong設she計ji中zhong，機ji械xie層ceng疊die是shi一yi個ge重zhong要yao的de考kao慮lv因yin素su
，因yin為wei手shou機ji的de外wai殼ke日ri趨qu纖xian薄bo。事shi實shi上shang，傳chuan感gan器qi線xian跡ji布bu局ju不bu佳jia和he覆fu蓋gai膜mo材cai料liao厚hou度du過guo大da是shi手shou機ji中zhongSNR偏低的主要原因。

電dian路lu板ban一yi般ban是shi柔rou性xing電dian路lu
，在zai某mou些xie情qing況kuang下xia，也ye有you可ke能neng是shi一yi種zhong很hen薄bo的de剛gang性xing板ban。電dian路lu板ban通tong過guo絕jue緣yuan粘zhan合he膜mo的de薄bo層ceng被bei安an裝zhuang在zai覆fu蓋gai膜mo上shang
，從cong而er提ti高gao了le從cong傳chuan感gan器qi到dao覆fu蓋gai膜mo的de電dian場chang耦ou合he。該gai粘zhan合he層ceng還hai形xing成cheng了le一yi個ge能neng夠gou對dui手shou指zhi輕qing壓ya和he重zhong壓ya都dou穩wen定ding響xiang應ying的de機ji械xie係xi統tong。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麵圖。

可編程解決方案

jinrubianchengjieduanshi，xitongkongzhiqiyouduozhongxuanze。zaizhuanyongqijianfangmianshizhifuzesaomiaochuanganqiheshuchushujudegudinggongnengqijian。zaigaodujichengjilinghuodeqijianfangmian，shikeyizhixingdafanweidianronggancegongnengdekebianchengganceqijian，baokuoanjian、滑標、觸摸板和接近度傳感器。

此ci外wai，這zhe種zhong靈ling活huo性xing還hai可ke以yi簡jian化hua最zui後hou一yi分fen鍾zhong的de設she計ji變bian化hua，並bing支zhi持chi一yi般ban由you一yi個ge或huo多duo個ge器qi件jian完wan成cheng的de非fei電dian容rong式shi感gan測ce功gong能neng。例li如ru，手shou機ji可ke能neng需xu要yao多duo項xiang功gong能neng
，包bao括kuo利li用yong鍵jian墊dian完wan成cheng的de電dian容rong式shi感gan測ce
、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rang我wo們men以yi下xia列lie情qing景jing為wei例li，來lai看kan看kan一yi個ge可ke編bian程cheng方fang案an所suo帶dai來lai的de價jia值zhi。由you於yu所suo有you感gan測ce和he控kong製zhi功gong能neng都dou由you軟ruan件jian控kong製zhi，故gu有you可ke能neng把ba電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi配pei置zhi為wei在zai低di功gong率lv待dai機ji模mo式shi下xia的de接jie近jin度du檢jian測ce
，也ye可ke能neng把ba同tong一yi個ge傳chuan感gan器qi配pei置zhi為wei正zheng常chang工gong作zuo模mo式shi下xia的de觸chu摸mo傳chuan感gan器qi。在zai待dai機ji模mo式shi下xia
，接jie近jin度du傳chuan感gan器qi掃sao描miao手shou指zhi是shi否fou出chu現xian在zai上shang述shu任ren何he電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi上shang方fang1或 2cm的區域。

當(dang)感(gan)測(ce)到(dao)有(you)手(shou)指(zhi)接(jie)近(jin)時(shi)，傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)由(you)軟(ruan)件(jian)重(zhong)配(pei)置(zhi)，讓(rang)觸(chu)摸(mo)感(gan)測(ce)功(gong)能(neng)取(qu)代(dai)接(jie)近(jin)度(du)感(gan)測(ce)功(gong)能(neng)。手(shou)機(ji)將(jiang)繼(ji)續(xu)工(gong)作(zuo)在(zai)這(zhe)種(zhong)模(mo)式(shi)下(xia)，直(zhi)到(dao)用(yong)戶(hu)停(ting)止(zhi)和(he)電(dian)容(rong)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)交(jiao)互(hu)。這(zhe)時(shi)
，接(jie)近(jin)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)把(ba)手(shou)機(ji)設(she)置(zhi)回(hui)待(dai)機(ji)模(mo)式(shi)。

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shi一yi種zhong導dao電dian材cai料liao
，作zuo為wei薄bo膜mo運yun用yong時shi是shi透tou明ming的de。這zhe種zhong材cai料liao已yi在zai電dian阻zu式shi觸chu摸mo屏ping中zhong使shi用yong多duo年nian。現xian在zai，微wei控kong製zhi器qi的de最zui新xin發fa展zhan成cheng果guo又you使shi電dian容rong式shi觸chu摸mo屏ping成cheng為wei可ke能neng。電dian阻zu式shi觸chu摸mo屏ping由you於yu依yi賴lai觸chu摸mo表biao麵mian的de機ji械xie變bian形xing，故gu很hen容rong易yi損sun壞huai
，需xu要yao更geng換huan。而er電dian容rong式shiITO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。