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。雖然電容式傳感器可(ke)被(bei)視(shi)作(zuo)傳(chuan)統(tong)按(an)鍵(jian)的(de)簡(jian)易(yi)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)，但(dan)該(gai)技(ji)術(shu)不(bu)僅(jin)僅(jin)是(shi)半(ban)球(qiu)型(xing)開(kai)關(guan)的(de)一(yi)種(zhong)升(sheng)級(ji)。當(dang)手(shou)機(ji)采(cai)用(yong)觸(chu)摸(mo)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)來(lai)實(shi)現(xian)時(shi)，手(shou)機(ji)製(zhi)造(zao)商(shang)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)可(ke)獲(huo)得(de)一(yi)種(zhong)令(ling)人(ren)激(ji)動(dong)的(de)嶄(zhan)新(xin)的(de)外(wai)觀(guan)感(gan)覺(jiao)選(xuan)擇(ze)。

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。

整(zheng)合(he)了(le)這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)的(de)手(shou)機(ji)不(bu)僅(jin)能(neng)感(gan)測(ce)手(shou)指(zhi)的(de)位(wei)置(zhi)，還(hai)能(neng)感(gan)測(ce)到(dao)手(shou)指(zhi)對(dui)按(an)鍵(jian)施(shi)加(jia)壓(ya)力(li)的(de)輕(qing)重(zhong)。輕(qing)按(an)可(ke)能(neng)與(yu)電(dian)話(hua)號(hao)碼(ma)簿(bu)翻(fan)頁(ye)有(you)關(guan)，重(zhong)按(an)則(ze)可(ke)能(neng)是(shi)往(wang)選(xuan)定(ding)號(hao)碼(ma)撥(bo)打(da)電(dian)話(hua)。

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。

SNR的(de)測(ce)量(liang)應(ying)該(gai)考(kao)慮(lv)到(dao)最(zui)好(hao)情(qing)況(kuang)和(he)最(zui)壞(huai)情(qing)況(kuang)。最(zui)好(hao)情(qing)況(kuang)是(shi)指(zhi)較(jiao)大(da)的(de)手(shou)指(zhi)放(fang)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)墊(dian)片(pian)中(zhong)心(xin)。最(zui)壞(huai)情(qing)況(kuang)是(shi)較(jiao)小(xiao)的(de)手(shou)指(zhi)偏(pian)離(li)中(zhong)心(xin)放(fang)置(zhi)。在(zai)手(shou)機(ji)係(xi)統(tong)的(de)早(zao)期(qi)開(kai)發(fa)中(zhong)，利(li)用(yong)真(zhen)實(shi)的(de)手(shou)指(zhi)來(lai)測(ce)試(shi)是(shi)一(yi)種(zhong)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)方(fang)法(fa)。若(ruo)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)希(xi)望(wang)測(ce)試(shi)更(geng)加(jia)與(yu)操(cao)作(zuo)者(zhe)無(wu)關(guan)，並(bing)且(qie)可(ke)重(zhong)複(fu)，可(ke)以(yi)用(yong)金(jin)屬(shu)盤(pan)或(huo)棒(bang)來(lai)代(dai)替(ti)真(zhen)實(shi)手(shou)指(zhi)。

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(liang)SNR。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，30-50ms的(de)延(yan)遲(chi)是(shi)個(ge)不(bu)錯(cuo)的(de)目(mu)標(biao)。要(yao)把(ba)功(gong)耗(hao)降(jiang)到(dao)更(geng)低(di)
，如(ru)果(guo)很(hen)長(chang)時(shi)間(jian)都(dou)沒(mei)有(you)用(yong)戶(hu)輸(shu)入(ru)，開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)常(chang)常(chang)讓(rang)傳(chuan)感(gan)器(qi)進(jin)入(ru)更(geng)長(chang)延(yan)遲(chi)模(mo)式(shi)。這(zhe)種(zhong)較(jiao)慢(man)的(de)掃(sao)描(miao)模(mo)式(shi)
，被(bei)稱(cheng)為(wei)待(dai)機(ji)模(mo)式(shi)，有(you)100ms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。

ciwai，zhezhonglinghuoxinghaikeyijianhuazuihouyifenzhongdeshejibianhua，bingzhichiyibanyouyigehuoduogeqijianwanchengdefeidianrongshigancegongneng。liru，shoujikenengxuyaoduoxianggongneng

，baokuoliyongjiandianwanchengdedianrongshigance
、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(fang)1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(shi)ITO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。