電容式觸控按鍵感測原理

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電容式觸控感測技術可以有兩種方式來實現在產品上，一種是以PCB為基礎使用PCB PAD銅箔導體做為感測，另外一種則為採用氧化銦錫(ITO)技術，是通過在玻璃或塑膠薄膜表面上添加ITO塗層來實現電容感應。前者適用於傳統開關按鍵的替代，稱為觸控按鍵(Touch Key，Touchpad)，後者則適合應用在手機或Notebook、PDA、LCD螢幕使用，通常稱為觸控螢幕(Touch panel)。
      觸控按鍵是藉由手指的碰觸來改變電容量而來驅動感測電路的，所以並不像電阻膠膜式的感應需要有壓力或針筆才能進行感測。因為它擁有比機械開關有更高的耐用性、比紅外線感測技術有耐表面髒污的降低效能的能力以及可以適應不同產品應用外殼覆蓋材質的特性，因此電容式感測技術是可以大量應用在於電話機、MP3、數位相機、數位相框…等消費電子產品以及家電、電腦週邊、工業控制操作面板的一種觸控感測技術。它的主要結構是由PCB Sensor Pad、GND、與Control IC三者所構成，PCB Sensor Pad是一片PCB Pad銅製導體，而GND則為PCB鋪銅填充。這兩者之間存在有寄生電容值(10~300pF)，當手指頭等導電物體接近感測器時，隨著該物體的電容值(0.1~10pF)增加，系統的電容值也隨之增加。

      電容式觸控按鍵就是這樣利用人體電容效應來改變電路中的微小的電容量，進而讓Control IC偵測到系統電容值的微小變化，以便判斷是否有觸控按鍵被按下。

      觸控按鍵Control IC內部的感測電路，目前各家IC廠商的做法以及擁有的專利不一，且都各有其優劣點。一般可分為弛張振盪(Relaxation Oscillator)、充放電轉換(Charger transfer)、連續近似法CSA(CapSense Successive Approximation)…等幾種技術方式，(如圖2)。



弛張振盪感測
      此種感測方式是使用量測RC充電時間的方法來做檢測。其中充電速率是由固定電流源的值和感測器電容值來做決定。比較大的電容將會需要有較長的充電時間，這一部份會運用到脈衝寬度調變器PWM與計時器來進行量測。當我們用手指接觸到觸控按鍵開關，就會改變電容器的介電常數，充電放電週期時間就會變長，頻率就會相對應的減小。所以，我們可以測量週期的變化，就可偵測到觸控按鍵是否有動作。
      由於馳張振盪這類的設計方式是靠RC的常數來判斷，所以手指的之間的容量很小，當RC常數大到某一個程度時，則R值必需要增加，而其結果往往會造成觸控按鍵的阻抗增加，變成比較會受到噪訊干擾影響。

充放電轉換
      充放電轉換從克希荷夫定理(Kirchhoff’s Circuit Laws)所發展出來的一種感測方法，靠著人體手指接觸時，電荷會經由人體、大地後再回到感測按鍵電路，以判斷觸控按鍵是否有沒有被按下的。它必須要有外部電容隨時校正以便保持偵測條件。
      充放電轉換的等效電路原理為使用切換式電容器電路以及參考匯流排電容值，重複進行從較小的感測器電容器至較大匯流排電容器之間的電荷轉移步驟。匯流排電容器上的電壓值與感測器電容值兩者之間存在著比例關係，因此在固定次數的步驟後量測電壓值後或藉由計算達到某一電壓臨界值所需的步驟次數來決定該電容值。

連續近似法
      連續近似法也是使用量測電容充電時間方式的一種感測技術，它是由Cypress開發的觸控技術，適用於類比/數位混合訊號處理器的PSoC(Programmable system-on-chip)。
      以PSoC元件執行的連續近似法是採用一組電容對電壓的轉換器以及單斜率類比數位轉換器(ADC)。其電容值量測方式是先藉由將電容值轉換至電壓值，接著將該電壓值儲存於電容器內，然後再利用可調式電流源來量測所儲存之電壓值。其中電容值對電壓值轉換器乃是利用切換式電容器技術，此電路系統讓感測器電容器可依其電容值反映出對應的電壓值。切換式電容器所用的頻率則是由PSoC本身內部的振盪器所產生。

觸控按鍵電路架構
      觸控按鍵的應用電路是由觸控面板Touchpad和觸控按鍵晶片Control IC和主系統微處理器晶片Host IC三部份所組成。觸控按鍵晶片負責感測觸控面板的觸控開關，然後再把資料透過協定介面接口把資料傳給主系統微處理器晶片。

      電容式按鍵電路所使用的觸控控制晶片，為了適應不同的產品應用必需要有不同的按鍵、滑動條介面以及不同的電路連接的介面接口，如UART、I2C、SPI、SM Bus…等等，來提供與主系統微處理器晶片連接使用，(如圖3)。eKT21xx是一個可支援18traces的觸控按鍵controller IC，每一trace不需要任何周邊的元件，充份的降低電路成本與PCB layout佈線的複雜度。它擁有寬廣的工作電壓範圍與可選擇的喚醒模式，在3V電源供應底下，最大工作電流小於6uA，可以適合掌上型的產品應用，整個系統的頻率源是採用內建方式，不需要外掛的晶振或RC組件;它支援I/O模式Direct key mode，不需要更改原來系統的軟體就可以直接取代傳統機械按鍵，以低開發成本就可以設計成更美觀的外觀，並且增加產品的價值和提升市場競爭力。針對客戶上蓋厚度的需求最大可以支援到6~8mm的厚度，可以滿足客戶各種不同產品應用的設計所需求