基于電容式觸摸屏技術(shù)的觸摸按鍵設(shè)計與應(yīng)用分析

電容式觸控技術(shù)在廚房設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)有幾年了，例如在烤箱和煎鍋的不透明玻璃面板后面采用分離按鍵實現(xiàn)。這些觸摸控制鍵逐漸替代了機(jī)械按鍵，因為后者具有使用壽命短、不夠衛(wèi)生等方面的問題，而且還有在面板上開孔安裝按鍵的相關(guān)成本。

圖1：“電荷轉(zhuǎn)移”技術(shù)原理示意圖。

電容式感應(yīng)技術(shù)由于具有耐用、易于低成本實現(xiàn)等特點，而逐漸成為觸摸控制的首選技術(shù)。此外，由于具有可擴(kuò)展性，該技術(shù)還可以提供其它技術(shù)所不能實現(xiàn)的用戶功能。在顯示屏上以軟按鍵方式提供用戶界面，這通常被稱為觸摸屏。量研科技（Quantum Research）公司在觸摸屏技術(shù)方面的發(fā)展為新設(shè)備的設(shè)計打開了大門，并將日益成為市場主流。 采用量研的電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)可實現(xiàn)的設(shè)備用戶輸入功能和應(yīng)用范圍包括：按鍵數(shù)量較少（最多10個）的分離觸摸按鍵應(yīng)用，一般用作簡單的開關(guān)功能按鍵，但也可以定制提供“手勢”類的輸入，例如滑動-打開功能以減少意外操作；針對多按鍵應(yīng)用的矩陣觸摸按鍵（最多48個），一般用在需要很多用戶功能按鍵的應(yīng)用中，也可以用于開發(fā)低分辨率的滾動功能器件；空間維度控制器件，如線性滑動鍵或轉(zhuǎn)盤；用于增加/減少溫度或時間設(shè)置，可以使用絕對器件（一次觸摸來設(shè)置特定值），或者相對器件（感測手指的移動來增加或減少一個設(shè)置點）；用于軟按鍵的固定按鍵觸摸屏；在顯示器上提供透明的固定位置/尺寸按鍵。可以按透明/非透明按鍵組合形式實現(xiàn)，由一個芯片驅(qū)動；用于完全可重配置軟按鍵的模擬觸摸屏，顯示屏上完全可重配置按鍵（大小和位置）報告x-y方向上的觸摸位置，用于主控制器后續(xù)處理。

圖2：使用QT240芯片的典型分離按鍵實現(xiàn)原理圖。

本文將主要介紹電容式觸摸屏的實現(xiàn)與應(yīng)用，此外，還介紹了傳統(tǒng)的電容式觸摸功能。

1 、技術(shù)背景

很多電容感應(yīng)技術(shù)在不同程度上取得成功應(yīng)用，量研科技的電容式感應(yīng)技術(shù)是基于“電荷轉(zhuǎn)移”技術(shù)。這種技術(shù)提供了非常高的魯棒性，全數(shù)字感應(yīng)非常適合廚房環(huán)境，因為它具有在背景噪聲中辨識信號的優(yōu)越辨識能力。這意味著即使對于非常厚的前面板，電荷轉(zhuǎn)移感應(yīng)技術(shù)的工作性能也非常好。

量研的矩陣芯片通過將電荷吸入到雙電極按鍵的一個電極來工作（圖1）。電荷弧產(chǎn)生的電場穿透上面的玻璃面板進(jìn)入到接收電極，該電極將電荷傳送到芯片。當(dāng)接觸玻璃面板的表面時，一部分電荷被人體吸收，導(dǎo)致信號強(qiáng)度降低。這樣當(dāng)出現(xiàn)人體接觸時，芯片便能很容易地檢測到。當(dāng)人體接觸時，水膜具有相反的效應(yīng)，實際上增加了電極之間的耦合，這是因為水膜運(yùn)動的方向與芯片能檢測到的方向相反，因此在廚房環(huán)境中常常出現(xiàn)的水效應(yīng)被抑制。

圖3：攪拌機(jī)觸摸表面的復(fù)合驅(qū)面效果

電荷轉(zhuǎn)移的過程通過一種微處理控制的開關(guān)序列以一種突發(fā)的模式進(jìn)行。擴(kuò)頻調(diào)制大大增加了信噪比，因而功率更低、響應(yīng)時間更快以及EMC改善顯著。采用這種技術(shù)可以輕易地達(dá)到100V/m的RFI容限。這些器件還不斷地對在設(shè)備使用壽命內(nèi)環(huán)境條件的改變進(jìn)行補(bǔ)償，使得它們即使在很高的溫度和濕度變化下也能獲得很高的可靠性。

量研在其面向設(shè)備的芯片中集成的一種額外功能，即連續(xù)的FMEA（故障模式和影響分析）感測及報告，在這里系統(tǒng)主處理器可以使用QMatrix芯片來自診斷整個傳感器模塊的開路或者短路情況。這個報告對整個系統(tǒng)的FMEA確認(rèn)都是至關(guān)重要的。

2、 基于量研電容式感應(yīng)技術(shù)的觸摸按鍵

在過去的幾年時間內(nèi)量研開發(fā)并完善了分離和矩陣按鍵芯片，為在設(shè)備前面板背面實現(xiàn)觸摸按鍵提供了一種便利方法。當(dāng)連接到QProx芯片時，介電材料背面上的任何導(dǎo)電材料都可以作為一個傳感器按鍵。QProx板設(shè)計非常簡單，通常是單面板，可以使用像CEM-1或者類似的低成本材料。采用單面板的實現(xiàn)方式通常是直接將板子粘合到前面板的背面-電極在PCB的反面，通過PCB、膠合層以及前面板進(jìn)行感測。

圖4：QWheel旋轉(zhuǎn)觸摸傳感器電路布局。

在需要特定的用戶效果時，可以采用更多有關(guān)的構(gòu)造技術(shù)。一個較好的例子是Jenn-Air公司的Attrezzi攪拌器。這個攪拌器的模子內(nèi)部裝飾技術(shù)與一種導(dǎo)電墨一起使用來在曲面的背面提供一個感應(yīng)層（圖3）。登錄可以了解這種構(gòu)造技術(shù)。

2.1 采用電容式感測技術(shù)實現(xiàn)滾動器件

觸摸輸入滾動/指示功能器件，例如iPod音樂播放器上的點擊式轉(zhuǎn)盤，這類器件在消費市場已經(jīng)獲得廣泛的認(rèn)可，正在逐漸出現(xiàn)在消費設(shè)備市場。有兩種基本類型的滾動器件：第一種是絕對報告類型，提供直接位置輸出報告；另外一種是相對類型，這類器件提供用來增加或減少某個值的直接報告。

量研開發(fā)出這兩類滾動器件，用于設(shè)置時間（圖5）及溫度等。

最近，電容式電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)再次被用來提供滾動器件的信號采集方案。對于絕對器件，滾動鍵被做成直線型或者圓形，或者任意其他形狀，這種形狀由阻抗傳感器元件定義，采用三端連接（像直線或弧形這種非封閉形狀可以看成是切開的圓形，圓的兩端作為公共電極）。阻抗元件可以是連接到PCB上焊盤的串聯(lián)電阻，或者采用透明塑料（PET）阻性印制線上的ITO以透明形式實現(xiàn)。相對報告器件使用重復(fù)的按鍵帶，通過測量觸摸順序來確定和報告方向。

2.2 用于廚房環(huán)境的觸摸屏

消費電子制造商惠而浦公司第一次引入了一種難以破壞的電容式LCD觸摸屏技術(shù)。實現(xiàn)這種應(yīng)用的新型感應(yīng)方法為制造商提供了一種開發(fā)清潔、實用、可靠且令人愉悅的產(chǎn)品的工具，激發(fā)了全新的設(shè)備概念。惠而浦公司的Velos（tm）烤箱就采用了這些新特性，使其工業(yè)設(shè)計的效果最佳。該公司通過采用本身包含了觸摸屏LCD和固定觸摸按鈕的單個玻璃烤箱門，在廚房設(shè)備領(lǐng)域開創(chuàng)了新的天地。在他們的設(shè)計中，常見的固定控制鍵盤正在消失，所有的東西都封在玻璃門里面。

圖5：三星微波爐應(yīng)用QWheel控制技術(shù)。

量研開發(fā)了針對這種設(shè)計的新型QField技術(shù)。用于廚房應(yīng)用的主流技術(shù)是基于該公司的電容式矩陣器件，這種器件采用前面介紹的被動X-Y掃描來感測按鍵觸摸。通過開發(fā)出成本可接受的感測薄膜，從而實現(xiàn)了Velos產(chǎn)品的創(chuàng)新，這種薄膜可以附著在LCD上玻璃面板的背面，而不需要開孔。量研改進(jìn)了其電容式矩陣按鍵掃描芯片（‘QMatrix’），將按鍵感應(yīng)功能整合到透明的觸摸屏薄膜上，并將其他的觸摸按鍵整合到LCD的兩面上，而這些都只需要使用一塊芯片。在Velos產(chǎn)品的設(shè)計中，量研提供了支持在LCD上的10個菜單按鍵以及在LCD一側(cè)的22個固定按鍵的解決方案。

QField技術(shù)具有不易破壞的特性以及高透明度，因此采用該技術(shù)設(shè)計的產(chǎn)品不容易被尖利的物體、腐蝕性的化學(xué)物品以及洗滌混合物所損傷?；荻止緞?chuàng)新性的LCD觸摸屏可以通過無縫的完整曲面玻璃烤箱門來觀察，玻璃烤箱門本身成為觸摸面。觸摸屏周圍不需要密封，將LCD放置在玻璃的后面，這樣大大節(jié)約了產(chǎn)品的組裝成本，也消除了電阻觸摸屏在應(yīng)用中可能存在的故障。而且，觸摸芯片只需要安裝在單面PCB上，這又降低了產(chǎn)品成本。

很明顯的事實是，盡管電阻式觸摸屏增加了可很多功能特性，但是可能影響整體的設(shè)計美學(xué)。很多使用電阻式觸摸屏的設(shè)備看起來好像很便宜，但與其實際成本并不相符。電阻式觸摸屏在被刮擦和產(chǎn)生裂紋后會很快老化。

此外，廚房設(shè)備的成本也很關(guān)鍵。QField技術(shù)在實現(xiàn)上沒有任何技術(shù)壁壘，因為它使用一顆感測芯片和低成本的常用材料及構(gòu)造方法。與電阻式觸摸屏相比，QField技術(shù)的整體系統(tǒng)成本更低。

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