電容式觸控解決方案以簡(jiǎn)單方式滿(mǎn)足大部份裝置觸控需求

 

　　從工業(yè)、汽車(chē)、醫療裝置到智能型手機與平板等日常消費性電子產(chǎn)品應用等各種技術(shù)，都能找得到電容感測(capacitive sensing)技術(shù)的蹤跡。這項技術(shù)能夠快速普及的主要原因，在于它能輕易地提升裝置的用戶(hù)體驗，讓制造業(yè)者由傳統開(kāi)關(guān)轉向更具吸引力的觸控功能。
 

 

　　電容感測技術(shù)還有助于減少裝置的機械組件數量，從而延長(cháng)裝置的使用壽命和縮小尺寸。這些特性的組合只要設計、校準和控制得當，就能讓具有電容式感測功能的產(chǎn)品吸引力倍增。

 

　　電容感測技術(shù)也廣泛用于觸控按鍵和滑桿功能，特別是在消費性、商業(yè)和工業(yè)應用中非常普及，但最常見(jiàn)的目標應用還是觸摸板和觸控屏幕。要設計出兼具低成本、反應靈敏以及節能的傳感器，而且在多噪聲環(huán)境中能穩定運作，已是當今市場(chǎng)中的常規要求，然而對大多數工程師來(lái)說(shuō)的確頗具挑戰性。

 

　　這些挑戰對于未來(lái)幾年內將快速進(jìn)展的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和穿戴式技術(shù)尤其明顯，消費者的期望是，這些裝置就算無(wú)法提供比現有物聯(lián)網(wǎng)裝置更好的使用體驗，至少也要保持同樣水平。許多方法和設計在理想使用情境中的差異極大，因此工程師需要好好考慮哪種電容感測方法對其應用來(lái)說(shuō)最好。

 

　　觸摸板

 

　　針對用戶(hù)接口，最基本的觸控感測應用就是大家耳熟能詳的投射式電容觸控技術(shù)(Projected Capacitive Touch；PCT)觸摸板。這些設計是由玻璃板之間導電材料層的行列矩陣所構成。在這個(gè)網(wǎng)格施加電壓就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)可在每個(gè)交叉點(diǎn)測得。當某個(gè)導電物體，例如人類(lèi)手指接近和接觸PCT面板時(shí)，就會(huì )改變接觸點(diǎn)的電場(chǎng)，同時(shí)產(chǎn)生了電容差。

 

　　工程師可以采用兩種方式實(shí)現PCT技術(shù)：自電容(self-capacitance)觸摸板與互電容(mutual capacitance)觸摸板。

 

　　自電容設計是在印刷電路板(PCB)上，由接地銅箔(ground pattern)圍繞。PCB上的每個(gè)傳感器會(huì )與周?chē)慕拥劂~箔以及傳感器頂部的電場(chǎng)線(xiàn)路形成寄生電容。當手指靠近時(shí)會(huì )導入額外的電容，導致電場(chǎng)扭曲。這種設計的主要缺點(diǎn)在于一次只能偵測到一次觸控，因此，它雖然是頗具經(jīng)濟效益的模型，但只適用于屏幕后方空間有限的裝置。

 

　　然而，互電容感測方法(mutual capacitance sensing；指任兩個(gè)具有電荷的物體之間存在的電容)能實(shí)現多點(diǎn)觸控偵測，非常適合配備大型顯示器的復雜裝置設計。當手指觸控的時(shí)候，兩物體之間的互電容會(huì )減少，觸控控制器由于偵測到這個(gè)改變而辨識到手指的存在。最重要的是，每個(gè)交叉點(diǎn)都各有獨特的互電容，可以獨立追蹤。

 

　　對于互電容觸摸板來(lái)說(shuō)，手指的存在會(huì )導致電容減小。相反地，在自電容觸摸板，手指施加的額外電容會(huì )增加傳感器所測量到的整體電容。

 

　　觸控屏幕

 

　　多個(gè)電容式觸摸板可組合形成觸控屏幕或觸控面板，用于偵測單片玻璃板上一個(gè)或多個(gè)手指的位置。這項技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于手機、平板計算機以及高階穿戴式裝置等空間有限的裝置，并可區分為PCB、電容式和單層氧化銦錫(Indium Tin Oxide；ITO)觸控面板等三大類(lèi)應用。

 

　　PCB觸控面板：低成本、低功耗，但制造難度高

 

　　PCB觸控面板基本上是放置在顯示器附近的兩個(gè)或多個(gè)PCB自電容觸摸板。對于沒(méi)有空間限制的原型建構和商業(yè)設備，由于可以采用普及的低成本標準PCB制程，因此是理想選擇。在設計PCB觸控面板的觸控按鈕時(shí)，尺寸通常是考慮的關(guān)鍵參數。然而形狀和按鈕間距(pad pitch，按鈕之間的距離)也應納入考慮，以便將錯誤檢測降到最低。

 

　　電容式觸控面板：較靈活，但使用案例少

 

　　電容式觸控面板具有兩層垂直堆棧的高導電材料——ITO導電層，一層用于列，一列用于行。該設計的關(guān)鍵特點(diǎn)在于每個(gè)交叉點(diǎn)都有自己的獨特互電容，可由觸控控制器獨立追蹤。

 

　　電容式觸控面板由于能提供多點(diǎn)觸控，且易于配置支持兩個(gè)或更多觸摸板，非常適合許多應用。此外，其超薄的模塊設計更是較大屏幕尺寸應用的理想選擇。

 

　　不過(guò)這些設計也不是毫無(wú)缺點(diǎn)——導電層所需的兩層ITO非常昂貴。再者，電容式觸控面板的功耗也非常高，控制器的高睡眠電流導致高耗電需求，不適合用于追求精簡(jiǎn)的穿戴式產(chǎn)品。

 

　　單層ITO觸控面板：低成本、低功耗且易于建構

 

　　單層ITO觸控面板方法是以較低的成本提供電容式觸控面板的多項優(yōu)點(diǎn)。主要不同之處在于觸摸板的數量采預先定義，因而無(wú)法像電容式觸控面板般靈活地變化。預定義的特質(zhì)極有益于尺寸大小和控制器運算資源的安排。從制造的角度來(lái)看，這個(gè)方法與電容式觸控面板極為相似，不過(guò)電容式觸控面板只使用單一ITO層，。

 

　　在確定最適合自己應用的模式之前，工程師需要權衡所有設計優(yōu)缺點(diǎn)。整體而言，電容式觸控解決方案能夠以簡(jiǎn)單的方式滿(mǎn)足大部份裝置的設計和功能需求，但要決定哪一種方案對特定使用案例來(lái)說(shuō)最聰明、最安全時(shí)，諸如尺寸與功耗等其他因素也是重要關(guān)鍵。