作为行动手机中用于机械按键的一种实用且创新的替代方案，电容式感测用户接口正在脱颖而出。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。当手机采用触控式传感器时，手机制造商在设计中可获得一种让人耳目一新的崭新外观。
利用电容式传感器，手机按键，即键盘垫(key mat)，无需移动式组件就可以实现，如此将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，轻按会触发电容式感测，重按则启动机械开关。
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，重按则可能是对选定的号码拨打电话。
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。这种透明键盘垫为设计人员提供了许多创新的选择。
电容式感测的SNR
要在行动手机设计中实现一个强韧的电容式感测设计，关键在于获得较大的讯息噪音比(SNR)。在电子通讯和其它工程领域，SNR通常以分贝表示。但在手指感测应用中，并不建议采用dB作为SNR的测量单位，因为目前对其计算方式还不明确。基于功率的dB公式是10‧log(P2/P1)，基于电压振幅的公式则是20‧log(V2/V1)，但究竟哪一个公式更适合触控应用尚不清楚。此外，在‘触控的分贝数’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的基准。Cypress提出的最佳实践指南是讯号比噪音至少大5倍。就工程术语来说，就是最小的SNR为5:1。
如何测量SNR
触控传感器应用中的SNR根据传感器输出端的计数值来测定。例如，传感器上没有手指时峰值噪音为8。当手指放在传感器上时，获得的讯号计数是118，则SNR为118:8，简化后约为15:1。
SNR的测量应该考虑到手指的最好和最坏情况。最好情况是指较大的手指放在传感器垫片中心。最坏情况手指是较小的手指在偏离中心的位置放置。在手机系统的早期开发过过程中，利用真实的手指是一种可接受的方法。不过，若开发人员希望测试过程更独立，而且可一再重复，那么就能以金属盘或金属棒来取代真实的手指。
由于覆盖膜(overlay)厚度会削弱讯号强度，因此，一种较稳健的方法是在系统开发时，采用比预计厚度稍厚一些的覆盖膜。为避免较高阶韧体的遮蔽效应，可利用原始且未压缩的传感器计数值来测量SNR。当没有手指触控时，可切断任何让传感器输出归零的自我补偿或自动校准功能。

图1：触控传感器应用中的SNR根据传感器输出端的计数值来测定。

 
设立噪音预算
管理电容式传感器性能的方法之一是设立噪音预算，这包括列出可能降低系统SNR的噪声源。对行动手机而言，这些噪声源包括内部IC噪音、RF噪音和交流线路噪音。必须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，并将总和作为设计余量，将会使SNR大于5:1。
行动手机本身就会产生一个RF能量很高的环境，与对系统增加少许噪音计数相比，这种环境对系统的影响可能更大。当电容式传感器靠近RF发射器运作时，所带来的问题是传感器的迹线相当于有效的天线。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，造成触控感测的失效。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。只要将数百奥姆的电阻和传感器的输入串联，并尽可能靠近控制IC的接脚放置，就足以防止这类问题的产生。
行动装置需要更低功率
对行动手机而言，电容式感测解决方案的功耗必须很低。对于电池供电的行动设备而言，在低功率目标要求下，控制器向主设备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，就应该进入睡眠状态。
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。平均电流可透过简单的有功电流和睡眠电流时间加权平均计算来求得，故每次扫描之间，若控制器的睡眠时间越长，电池寿命就越长。
然而，长睡眠时间间隔的实际限制是系统的延迟，亦即触控事件和系统对触控的响应之间的迟滞。在非技术性用户看来，大的延迟表现为按键的反应迟缓。在极端情况下，极长的睡眠时间间隔会导致按键在一段时间内失效。
在手机设计中，解决上述问题的最大挑战是在传感器快速响应和低功耗之间找到一个良好的平衡点。针对行动手机设计，30~50ms的延迟是个不错的目标。若要把功耗降到更低，则若很长时间都没有用户输入，开发人员就必须让传感器进入更长的延迟模式。这种较慢的扫描模式称为待机模式，具有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，按键响应速度则更快。
以下的运算实例显示在一个具有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。扫描时间设定为每传感器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=3μA，IActive=1,500μA)。把这些参数代入平均电流IAVE运算公式，可求得平均电流为93μA。
如果待机模式下只有一部份传感器被扫描，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33μA。

图2：由于行动手机的封装日趋纤薄，机械尺寸已成为一个重要的考虑因素。

 
机械考虑
系统设计中，由于行动手机的封装日趋纤薄，机械尺寸已成为一个重要的考虑因素。事实上，传感器迹线布局不佳和覆盖膜材料过厚，是行动手机中SNR偏低的主要原因。
电路板通常是可挠性电路，在某些情况下，也有可能是一种很薄的刚性板。电路板透过绝缘黏合膜的薄层被安装在覆盖膜上，提高了从传感器到覆盖膜的电场耦合。该黏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感测讯号的情况下为手机提供所需的封装机械强度。
可编程解决方案
进入编程阶段时，系统控制器有多种选择。在专用组件方面是只负责扫描传感器和输出数据的固定功能组件。在高度整合及灵活的组件方面，是可以执行大范围电容感测功能的可编程感测组件，包括按键、光标、触控板和近接传感器等。
此外，这种灵活性还可以简化最终阶段要更改设计的过程，并支持通常由一个或多个组件完成的非电容式感测功能。例如，手机可能需要多项功能，包括利用键盘垫完成的电容感测、透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执行小型马达的马达驱动。所有这些功能都能透过使用C语言开发的灵活软件整合在单芯片中。
让我们以下列情景为例，看看一个可编程方案所带来的价值。由于所有的感测和控制功能都由软件控制，因此有可能把电容式传感器配置为在低功率待机模式下的近接检测，也可能把同一个传感器配置为正常工作模式下的触控传感器。在待机模式下，近接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，让触控感测功能取代近接感测功能。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互动。这时，近接传感器会把手机设置回待机模式。
透明电容
行动手机中触控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控式屏幕中使用多年。现在，微控制器的最新发展成果又使电容式触控式屏幕成为可能。电阻式触控式屏幕由于依赖触控表面的机械变形，因此很容易损坏，必须更换。而电容式ITO触控式屏幕无需仰赖机械变形。电容式ITO触控式屏幕超越标准电阻式触控式屏幕的优点之一，就是摒弃了这种容易产生故障的机械模式。
作者：Mark Lee
资深应用工程师
Cypress半导体公司