前言

雖然電容性感測技術的應用歷史已將近一個世紀之久，但直到最近，這項技術才開始成為研發業者的主流工具。其應用的潛力非常可觀，包括從機械式切換開關的替代產品、汽車的乘客偵測系統、洗衣機滾桶的搖晃校正機具等。市面上已出現許多立即可用的解決方案，業界發展出三種主要感測器設計模式，每種模式都有其優點與弱點，包括許多具影響力的因素。各家製造商亦運用不同的製程技術，從混合訊號ASIC到純數位式元件。但對於大多數研發業者而言，電容性感測器最重要的技術特性在於兩個層面，應用的強固與容易設計。

實作上難題

在IC解決方案問市之前，嘗試建置自身開發電容性感測電路的研發業者，經常面臨許多實作上的難題，首先，是靈敏度。例如，機械式切換器的替代元件，透過手指的接觸來啟動開關，必須能偵測到感測器電極與接地端之間由人體產生僅數百億分之一法拉的電容變化。其結果是，感測器電子元件必須具備極高的靈敏度，但因此會隨著溫度變化與老化，因訊號漂移而產生許多問題。

高靈敏度的類比電路很容易受到干擾，因此若要在靈敏度與選擇性之間取得平衡點，業者必須注意如手指尺吋以及指向位置錯誤等相容性問題。其他干擾源，從ESD脈衝到受潮的薄膜直接其他污染，就自行開發的電路而言，都是很難根絕的問題。因此，現今幾乎所有電容式感測IC都含有錯誤避免機制，試圖抑制各種假性偵測訊號。

當然，對於未完全達到強固性目標的感測技術而言，錯誤避免機制並無法徹底改善其功能。許多研發業者在許多看似設計完善的電路上，當遭遇急速溫度變化、薄膜受潮、或螢光燈與可調速電子馬達等住家常見的電磁干擾源時，必將面臨許多挫折。審視現今電容性感測器的底層技術，可分析出許多工程方面的常識，能為各種要求嚴苛的應用提供強固的性能，例如可攜式電子產品，這類產品面臨持續變化且難以預測的環境。

《圖一　電場感測器偵測使用者手指產生數pF的電容變化》

電容性感測技術

常被稱為電場法的電容性感測技術，會產生一個參考訊號，傳至一個感測器電極，然後在partner plate面板上量測訊號值(圖一)。參考訊號通常是一個約100至200 kHz的正弦波，用來排除電磁相容的問題，且頻率高到足以形成可選購的訊號傳送條件。當使用者的手指或另一個導電物體連結兩個感測電極時，手指就會吸收部份的耦合，並造成訊號強度下降。

解調及過濾訊號會產生一個直流電值，並傳到比較器的一個輸入端，另一個輸入端的參考電壓便會設定閘限值，用來判斷使用者的接觸動作。這種技術依賴數pF的電容增加幅度來進行偵測，因此很容易因薄膜受潮而失效。低頻率的干擾抑制也有許多問題，因為許多來源會釋放突波與諧波，這些訊號相容於接收器的頻寬。這意謂著，運用這種技術的晶片含有可觀的訊號處理邏輯功能，其能抑制假性的偵測事件，且類比的前端元件擁有足夠的靈敏度，能持續補償訊號偏移。

另一種具備更多潛在問題的方法，是運用一個弛張振盪器。在這種機制中，運用一個持續電流來源對感測電極的可變電容進行充電，這個電容連結到比較器的一個輸入端，比較器的另一端連結一個參考電壓(圖二)。持續的電流源會對電極電容進行充電，產生升壓，並隨著時間呈現線性上升，直到和參考電壓相同為止。之後，比較器的輸出端會改變狀態，並由一個切換器和電容進行並聯。這個切換器會對電容進行放電，比較器的輸出端會回復到原先的狀態，然後再持續重複上述程序。這種技術仍是根據使用者手指產生的訊號，由數pF的增加電容來偵測脈衝串的頻率下降，這個訊號會出現在比較器的輸出端。頻率計數器或閘控計時器模組能判斷出振盪器的頻率。

由於電路必須調整門檻值，導致元件靈敏度偏低，因此使用者必須精準對正手指的位置，並使用薄型面板材料。其中一個理由是持續電流來源擁有高輸出阻抗，讓這種技術容易受到干擾、以及電極表面污染的影響，例如溼氣造成小幅度的漏電。系統也很難精準地補償持續電流來源，以維持穩定的直流電，這意謂著自動校正程序必須考量較大的輸出頻率變化範圍，以因應晶片的運作溫度。

此外，印刷電路板配置成為一項重要且難以控制的問題，因為晶片與按鍵電極的接點會有寄生電容，不同按鍵的寄生電容具有很大的差異。更糟的是，這種無法預測的錯誤在不同單位之間程度完全不同，影響因素包括印刷電路板基材的介電屬性及銅導線的寬度，兩者都將影響雜散電容。

由於運作頻率大多變化不大，因此外部的雜訊來源很容易干擾這些電路，尤其是產品觸控面板內部的訊號。弛張振盪器的提倡者建議在生產時校正每個按鍵。這種成本昂貴的步驟是無法省略的，因為這種技術的動態範圍相當有限。由於溼氣造成薄膜受潮，形成極小的漏電通道，進而導致按鍵失去校正狀態，因此使用這種方法的產品通常不會在熱帶氣候國家銷售。

另外值得一提的是一家精通這項技術的製造商，為現有使用者自行程式化混合訊號處理器IC推廣一項應用，引發的質疑是：究竟這是設計電容性感測器的最佳方法？或這只是推銷現有矽元件的手法？在當前的狀況下，使用者可決定建置最適合的演算法，來克服感測技術的各項難以忽略的缺陷。

《圖二　弛張振盪式感測器，原理是解析由靜電容所產生的頻率變化》

更好的解決方案

有一項使強固性大幅提高的技術，根據電荷守恒原理，在包括工業感測器、廁所洗手檯的自動出水機等測試環境中，都能保證維持極高的可靠度。這種方法的原理，是若電源將一個電容充電到已知的數值時，除非有外部的影響力使其放電，例如漏電通道，否則其數值會維持不變。Quantum將這項技術整合在其QT晶片，由一個微控制器控制一個MOSFET切換器，對一個按鍵的感測電極施以一個固定的電壓，維持一段短暫時間。這個電極可以使用任何可導電的材料，從印刷電路板銲墊到一層氧化銦錫（ITO），這種材料特別適合取代觸控螢幕中的光蝕電阻層。

電荷轉移或QT一詞，源自於感測電極上的電荷，轉移至更大的參考採樣電容，在經過多個切換週期後，電容裡會累積很多的電荷。在經過固定數量的週期後，類比對數位轉換器（ADC）可量測出累積的電壓。另一種程序是，參考電容持續充電，累積到釋放出參考電壓為止，這個時候控制邏輯會指示達到目標電壓所需要的週期數量，然後對參考電容進行放電。

第二種方法須花較長的時間來取得訊號，但不需要類比元件或ADC，因此使得擷取流程的成本相當低。偵測機制依靠的是使用者的手指增加電極的背景電容，進而提高ADC電路的轉換值，或減少比較器電路QT週期的數量(圖三)。QT電路的動態範圍很容易超過10位元，因此自動校正演算法能取代產品校正的程序。

由於加到感測器電極的電壓來自阻抗較低的來源，電源供應器以及電阻上的MOSFET，因此較不易受到干擾。為減少電磁相容問題，利用展頻脈衝調變即可大幅減少射頻發射。在不同採樣脈衝上的策略是不同的，因此並沒有單一種類的採樣頻率，有時不可能有RC或充電型電容感測電路，例如弛張振盪器。由於大多數會干擾電容式感測器的雜訊來源變化都很小，或是僅佔據較窄的頻寬，因此這項技術能大幅提升抗干擾的能力。

《圖三　QT感測器會量測電容的充電值，藉以偵測出物體接近的狀態》

自動校正程序會以透明化模式補償各項環境變化，持續量測背景訊號值以及調整電路，以維持固定的偵測門檻值，確保長期維持可靠運作。由於耐水性薄膜提供高阻抗導電通道，且電路能在較低阻抗下運作，因此QT電路對這類薄膜產生的漏電電流有極高的免疫力。

而其結果是，感測器具備足夠的靈敏度來解析使用者手指靠近的狀態，手指隔著約100mm的玻璃面板，並能排除各項電子與環境的干擾。對於極可能置於高溼度環境的產品而言，從烹飪電器到MP3隨身聽，採樣技術均能排除射頻干擾，以及耐水薄膜產生的各種干擾效應，這種薄膜會在感測面板上以及鄰近的環境形成一個二維的電阻與電容負載。

自動校正與漂移補償程序，讓晶片能容許1C/sec的溫度變化率，烹調電器便經常遭遇這類狀況，其需要多個程序的過濾器，在偵測到暫存器內有效的按鍵事件後，會濾除許多如ESD靜電釋放等隨機性干擾。而對於運用空間受限的鍵盤，專利的鄰近按鍵抑制功能，會評估鄰近按鍵的訊號值，隔離過濾出使用者真正的選擇意圖。

除為研發業者提供前所未有的可靠度外，Quantum的QT感測IC也非常容易使用。其元件大多數屬於獨立運作，不需任何編程，適合支援高按鍵數量的產品，僅須小幅的程式開發作業，就能連結到通訊介面。目前推出的系列元件涵蓋單鍵與多鍵感測器、按鍵矩陣掃瞄器、線性滑桿轉輪介面，不久後還將推出x-y軸座標讀取版本。新型x-y座標功能擴展應用的空間，讓使用者能透過手指輸入文字與圖形字元。此外，每款QT晶片都含有一個微控制器，該Quantum能以低廉的成本針對不同的應用進行客制化 – 例如食物調理機，QT的元件能執行所有使用者操作介面與電源控制的作業。

（本文由Quantum提供）