前言

虽然电容性感测技术的应用历史已将近一个世纪之久，但直到最近，这项技术才开始成为研发业者的主流工具。其应用的潜力非常可观，包括从机械式切换开关的替代产品、汽车的乘客侦测系统、洗衣机滚桶的摇晃校正机具等。市面上已出现许多立即可用的解决方案，业界发展出三种主要感测器设计模式，每种模式都有其优点与弱点，包括许多具影响力的因素。各家制造商亦运用不同的制程技术，从混合讯号ASIC到纯数位式元件。但对于大多数研发业者而言，电容性感测器最重要的技术特性在于两个层面，应用的强固与容易设计。

实作上难题

在IC解决方案问市之前，尝试建置自身开发电容性感测电路的研发业者，经常面临许多实作上的难题，首先，是灵敏度。例如，机械式切换器的替代元件，透过手指的接触来启动开关，必须能侦测到感测器电极与接地端之间由人体产生仅数百亿分之一法拉的电容变化。其结果是，感测器电子元件必须具备极高的灵敏度，但因此会随着温度变化与老化，因讯号漂移而产生许多问题。

高灵敏度的类比电路很容易受到干扰，因此若要在灵敏度与选择性之间取得平衡点，业者必须注意如手指尺吋以及指向位置错误等相容性问题。其他干扰源，从ESD脉冲到受潮的薄膜直接其他污染，就自行开发的电路而言，都是很难根绝的问题。因此，现今几乎所有电容式感测IC都含有错误避免机制，试图抑制各种假性侦测讯号。

当然，对于未完全达到强固性目标的感测技术而言，错误避免机制并无法彻底改善其功能。许多研发业者在许多看似设计完善的电路上，当遭遇急速温度变化、薄膜受潮、或萤光灯与可调速电子马达等住家常见的电磁干扰源时，必将面临许多挫折。审视现今电容性感测器的底层技术，可分析出许多工程方面的常识，能为各种要求严苛的应用提供强固的性能，例如可携式电子产品，这类产品面临持续变化且难以预测的环境。

《图一 电场传感器侦测用户手指产生数pF的电容变化》

电容性感测技术

常被称为电场法的电容性感测技术，会产生一个参考讯号，传至一个感测器电极，然后在partner plate面板上量测讯号值(图一)。参考讯号通常是一个约100至200 kHz的正弦波，用来排除电磁相容的问题，且频率高到足以形成可选购的讯号传送条件。当使用者的手指或另一个导电物体连结两个感测电极时，手指就会吸收部份的耦合，并造成讯号强度下降。

解调及过滤讯号会产生一个直流电值，并传到比较器的一个输入端，另一个输入端的参考电压便会设定闸限值，用来判断使用者的接触动作。这种技术依赖数pF的电容增加幅度来进行侦测，因此很容易因薄膜受潮而失效。低频率的干扰抑制也有许多问题，因为许多来源会释放突波与谐波，这些讯号相容于接收器的频宽。这意谓着，运用这种技术的晶片含有可观的讯号处理逻辑功能，其能抑制假性的侦测事件，且类比的前端元件拥有足够的灵敏度，能持续补偿讯号偏移。

另一种具备更多潜在问题的方法，是运用一个弛张振荡器。在这种机制中，运用一个持续电流来源对感测电极的可变电容进行充电，这个电容连结到比较器的一个输入端，比较器的另一端连结一个参考电压(图二)。持续的电流源会对电极电容进行充电，产生升压，并随着时间呈现线性上升，直到和参考电压相同为止。之后，比较器的输出端会改变状态，并由一个切换器和电容进行并联。这个切换器会对电容进行放电，比较器的输出端会回复到原先的状态，然后再持续重复上述程序。这种技术仍是根据使用者手指产生的讯号，由数pF的增加电容来侦测脉冲串的频率下降，这个讯号会出现在比较器的输出端。频率计数器或闸控计时器模组能判断出振荡器的频率。

由于电路必须调整门槛值，导致元件灵敏度偏低，因此使用者必须精准对正手指的位置，并使用薄型面板材料。其中一个理由是持续电流来源拥有高输出阻抗，让这种技术容易受到干扰、以及电极表面污染的影响，例如湿气造成小幅度的漏电。系统也很难精准地补偿持续电流来源，以维持稳定的直流电，这意谓着自动校正程序必须考量较大的输出频率变化范围，以因应晶片的运作温度。

此外，印刷电路板配置成为一项重要且难以控制的问题，因为晶片与按键电极的接点会有寄生电容，不同按键的寄生电容具有很大的差异。更糟的是，这种无法预测的错误在不同单位之间程度完全不同，影响因素包括印刷电路板基材的介电属性及铜导线的宽度，两者都将影响杂散电容。

由于运作频率大多变化不大，因此外部的杂讯来源很容易干扰这些电路，尤其是产品触控面板内部的讯号。弛张振荡器的提倡者建议在生产时校正每个按键。这种成本昂贵的步骤是无法省略的，因为这种技术的动态范围相当有限。由于湿气造成薄膜受潮，形成极小的漏电通道，进而导致按键失去校正状态，因此使用这种方法的产品通常不会在热带气候国家销售。

另外值得一提的是一家精通这项技术的制造商，为现有使用者自行程式化混合讯号处理器IC推广一项应用，引发的质疑是：究竟这是设计电容性感测器的最佳方法？或这只是推销现有矽元件的手法？在当前的状况下，使用者可决定建置最适合的演算法，来克服感测技术的各项难以忽略的缺陷。

《图二 弛张振荡式传感器，原理是解析由静电容所产生的频率变化》

更好的解决方案

有一项使强固性大幅提高的技术，根据电荷守恒原理，在包括工业感测器、厕所洗手台的自动出水机等测试环境中，都能保证维持极​​高的可靠度。这种方法的原理，是若电源将一个电容充电到已知的数值时，除非有外部​​的影响力使其放电，例如漏电通道，否则其数值会维持不变。 Quantum将这项技术整合在其QT晶片，由一个微控制器控制一个MOSFET切换器，对一个按键的感测电极施以一个固定的电压，维持一段短暂时间。这个电极可以使用任何可导电的材料,用印刷电路板焊垫到一层氧化铟锡(ITO),这种材料特别适合取代触控萤幕中的光蚀电阻层。

电荷转移或QT一词，源自于感测电极上的电荷，转移至更大的参考采样电容，在经过多个切换周期后，电容里会累积很多的电荷。在经过固定数量的周期后，类比对数位转换器（ADC）可量测出累积的电压。另一种程序是，参考电容持续充电，累积到释放出参考电压为止，这个时候控制逻辑会指示达到目标电压所需要的周期数量，然后对参考电容进行放电。

第二种方法须花较长的时间来取得讯号，但不需要类比元件或ADC，因此使得撷取流程的成本相当低。侦测机制依靠的是使用者的手指增加电极的背景电容，进而提高ADC电路的转换值，或减少比较器电路QT周期的数量(图三)。 QT电路的动态范围很容易超过10位元，因此自动校正演算法能取代产品校正的程序。

由于加到感测器电极的电压来自阻抗较低的来源，电源供应器以及电阻上的MOSFET，因此较不易受到干扰。为减少电磁相容问题，利用展频脉冲调变即可大幅减少射频发射。在不同采样脉冲上的策略是不同的，因此并没有单一种类的采样频率，有时不可能有RC或充电型电容感测电路，例如弛张振荡器。由于大多数会干扰电容式感测器的杂讯来源变化都很小，或是仅占据较窄的频宽，因此这项技术能大幅提升抗干扰的能力。

《图三QT感测器会量测电容的充电值，借以侦测出物体接近的状态》

自动校正程序会以透明化模式补偿各项环境变化，持续量测背景讯号值以及调整电路，以维持固定的侦测门槛值，确保长期维持可靠运作。由于耐水性薄膜提供高阻抗导电通道，且电路能在较低阻抗下运作，因此QT电路对这类薄膜产生的漏电电流有极高的免疫力。

而其结果是，感测器具备足够的灵敏度来解析使用者手指靠近的状态，手指隔着约100mm的玻璃面板，并能排除各项电子与环境的干扰。对于极可能置于高湿度环境的产品而言，从烹饪电器到MP3随身听，采样技术均能排除射频干扰，以及耐水薄膜产生的各种干扰效应，这种薄膜会在感测面板上以及邻近的环境形成一个二维的电阻与电容负载。

自动校正与漂移补偿程序，让晶片能容许1C/sec的温度变化率，烹调电器便经常遭遇这类状况，其需要多个程序的过滤器，在侦测到暂存器内有效的按键事件后，会滤除许多如ESD静电释放等随机性干扰。而对于运用空间受限的键盘，专利的邻近按键抑制功能，会评估邻近按键的讯号值，隔离过滤出使用者真正的选择意图。

除为研发业者提供前所未有的可靠度外，Quantum的QT感测IC也非常容易使用。其元件大多数属于独立运作，不需任何编程，适合支援高按键数量的产品，仅须小幅的程式开发作业，就能连结到通讯介面。目前推出的系列元件涵盖单键与多键感测器、按键矩阵扫瞄器、线性滑杆转轮介面，不久后还将推出x-y轴座标读取版本。新型x-y座标功能扩展应用的空间，让使用者能透过手指输入文字与图形字元。此外，每款QT晶片都含有一个微控制器，该Quantum能以低廉的成本针对不同的应用进行客制化 – 例如食物调理机，QT的元件能执行所有使用者操作介面与电源控制的作业。

（本文由Quantum提供）