电容式感测技术在手机触摸屏中的应用

电容式感测用户界面正作为手机中机械按键的一种实用的创新替代方案脱颖而出。虽然电容式传感器可被视作传统按键的简易替代方案，但该技术不仅仅是半球型开关的一种升级。当手机采用触摸式传感器来实现时，手机制造商在设计中可获得一种令人激动的崭新的外观感觉选择。
利用电容式传感器，手机按键，即键垫（key mat），无需移动式元件就可以实现，这样会形成平顺光滑的接触表面。此外，设计人员还可在机械按键顶端选用电容式感测，轻按会触发电容式传感器，重按则激活机械开关。
整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感测到手指对按键施加压力的轻重。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。
近年来手机设计中出现的最引人注目的趋势之一是电容式传感器和透明导体的结合。这种透明键垫为设计人员提供了许多具创造性的选择。
1 电容式感测的SNR基准推荐
在手机设计中实现一个稳健的电容式感测设计的关键在于获得大的信噪比（SNR）。在电子通信和其它工程领域，SNR一般以分贝表示。但在手指感测应用中，不建议采用dB作为SNR的测量单位，因为对它的计算方法还不确定。基于功率的dB公式是10 ？ log（P2/P1），基于电压幅度的公式是20 ？ log（V2/V1），但究竟哪一个公式更适合于触摸应用尚不清楚。此外，在“触摸的分贝数”的解释方面也存在着混淆。为了避免这些问题，Cypress半导体公司采用一种简单的比率作为电容式感测SNR的首选基准。Cypress给出的最佳实践指南是信号比噪声至少大5倍。按照工程术语，就是最小SNR为5:1。
2 如何测量SNR
触摸传感器应用中的SNR根据传感器输出端的计数值来测定。比如，传感器上没有手指时峰峰噪声为8。当手指放在传感器上时，获得的信号是118，则SNR为118:8，约为15:1。
SNR的测量应该考虑到最好情况和最坏情况。最好情况是指较大的手指放在传感器垫片中心。最坏情况是较小的手指偏离中心放置。在手机系统的早期开发中，利用真实的手指来测试是一种可接受的方法。若开发人员希望测试更加与操作者无关，并且可重复，可以用金属盘或棒来代替真实手指。
由于覆盖膜（overlay）厚度会削弱信号强度，因此，较稳妥的办法是系统开发时采用比预计稍厚的覆盖膜。为避免较高级固件的屏蔽效应，利用原始的未压缩的传感器计数值来测量SNR。当没有手指触摸时，关断任何让传感器输出归零的自补偿或自动校准功能。

图1： 手指压力决定信号和噪音的构成。
3 建立噪声预算
管理电容式传感器性能的方法之一是建立噪声预算，这包括列出可能降低系统SNR的噪声源。对于手机，这些噪声源有内部IC噪声、RF噪声和交流线路噪声。估算每一个噪声源对传感器计数值的影响。把这些计算值加上额外施加的计数值的总和作为设计余量，将会使SNR大于5:1。
手机本身就产生了一个RF能量很高的环境，这对系统的影响可能大于往系统里增加少量噪声计数。电容式传感器靠近RF发射器工作带来的问题是，传感器的线迹相当于有效天线。大量RF能量与控制器IC的耦合可能在传感器系统中导致不良后果，造成触摸感测的失败。这种潜在问题的一个简单解决方案是利用串联电阻来抑制谐振。数百欧姆的电阻和传感器的输入串联，并尽可能靠近控制IC的引脚放置，足以防止这类问题的发生。
4 移动意味着低功率
对手机而言，电容式感测解决方案的功耗必需很低。对于电池供电的移动设备而言，低功率的目标要求控制器向主控器件报告的速度不应该过快，对传感器的扫描时间也不应该过长，若无其它事件待处理时应该进入睡眠状态。
延长电池寿命的关键是把传感器有效扫描和处理数据时流经的平均电流降至最低。平均电流可以通过简单的有功电流和睡眠电流的时间加权平均计算来求得，故扫描之间控制器的睡眠时间越长，电池寿命越长。
长睡眠时间间隔的一个实际限制是系统的延迟，亦即触摸事件和系统对触摸的响应之间的迟滞。在非技术性用户看来，大的延迟表现为按键的反应迟缓。极端而言，极长的睡眠时间间隔会导致按键一段时间失效。
在手机设计中，解决上述问题在于在传感器快速响应和低功耗之间找到一个良好的平衡点。对于手机设计，30-50ms的延迟是个不错的目标。要把功耗降到更低，如果很长时间都没有用户输入，开发人员常常让传感器进入更长延迟模式。这种较慢的扫描模式，被称为待机模式，有100ms或更长的延迟。一旦出现用户输入，系统立即进入有效扫描模式，按键响应速度更快。
下面的实例计算显示了在一个带有12个传感器的手机设计中，如何在待机模式下实现低至33mA的平均电流。扫描时间设为每传感器0.5ms（t1 = 0.5×12= 6ms）。待机模式下的报告速率为100ms，故睡眠时间间隔设置为94ms （t2= 100？6ms）。睡眠电流和有功电流可在控制器IC数据手册中查到（ISleep=3？A，IActive=1，500？A）。把这些参数代入平均电流IAVE计算公式，可求得平均电流为93？A。
如果待机模式下只有一部分传感器被扫描，那么平均电流可能更低。把12个传感器分为3个一组，可减少扫描时间（t1=0.5×12/3=2ms）。这种情况下，平均电流降至33？A。
5 机械方面的考虑事项
系统设计中，机械层叠是一个重要的考虑因素，因为手机的外壳日趋纤薄。事实上，传感器线迹布局不佳和覆盖膜材料厚度过大是手机中SNR偏低的主要原因。
电路板一般是柔性电路，在某些情况下，也有可能是一种很薄的刚性板。电路板通过绝缘粘合膜的薄层被安装在覆盖膜上，从而提高了从传感器到覆盖膜的电场耦合。该粘合层还形成了一个能够对手指轻压和重压都稳定响应的机械系统。1-3mm的覆盖膜厚度是比较理想的，这样可在不过度削弱电容式感测信号的情况下为手机提供所需的封装机械强度。

图2： 手机电容传感器的机械层叠截面图。
6 可编程解决方案
进入编程阶段时，系统控制器有多种选择。在专用器件方面是只负责扫描传感器和输出数据的固定功能器件。在高度集成及灵活的器件方面，是可以执行大范围电容感测功能的可编程感测器件，包括按键、滑标、触摸板和接近度传感器。
此外，这种灵活性还可以简化最后一分钟的设计变化，并支持一般由一个或多个器件完成的非电容式感测功能。例如，手机可能需要多项功能，包括利用键垫完成的电容式感测、通过光电二极管进行的环境光感测、经由加速计实现的倾斜感测，以及当手机设置为振动模式时小型电机运行所需的电机驱动。所有这些功能都能够通过用C语言开发的灵活软件集成到单芯片中。
让我们以下列情景为例，来看看一个可编程方案所带来的价值。由于所有感测和控制功能都由软件控制，故有可能把电容式传感器配置为在低功率待机模式下的接近度检测，也可能把同一个传感器配置为正常工作模式下的触摸传感器。在待机模式下，接近度传感器扫描手指是否出现在上述任何电容式传感器上方1或2cm的区域。
当感测到有手指接近时，传感器可由软件重配置，让触摸感测功能取代接近度感测功能。手机将继续工作在这种模式下，直到用户停止和电容式传感器的交互。这时，接近度传感器把手机设置回待机模式。
7 透明电容
手机中触摸感测的最新趋势是在玻璃或塑料膜上使用氧化铟锡（ITO）。ITO是一种导电材料，作为薄膜运用时是透明的。这种材料已在电阻式触摸屏中使用多年。现在，微控制器的最新发展成果又使电容式触摸屏成为可能。电阻式触摸屏由于依赖触摸表面的机械变形，故很容易损坏，需要更换。而电容式ITO触摸屏不需要机械变形来实现。电容式ITO触摸屏超越标准电阻式触摸屏的优点之一就是摒弃了这种易发生故障的机械模式。（eechina）