电容式感测使用者介面在最近几年已逐渐发展成为一种实用且创新的技术升级方案，以取代可携式多媒体播放器的机械式按键。这个趋势也开始蔓延到手机应用领域。电容式感测器可视为取代机械式按钮的方案，但这项技术的表现绝对不只有圆弧式开关的功能。可运用在手机的触控感测器，也为手机研发业者带来另一种崭新的外观触控选择。

手机的按键设计若采用电容式感测器，不须要可拆式零组件，可呈现出线条流畅平滑的触控表面。此外，设计人员可选择在机械开关上装设电容式感测器，力道轻的触碰会触发电容感测器，力道较重则会启动机械开关。搭载这类技术的手机能同时侦测到手指的位置与按压按键的力道。力道轻的触碰会叫出电话簿选单进行浏览页面切换；而力道重的触碰则会拨出选取的电话号码。近几年来，手机设计最令人感兴趣的趋势，就是结合电容式感测器和透明导体。透明按键为手机研发业者带来许多相当创新的选项。

本文介绍如何将电容式感测功能整合到手机中，以及成功的设计必须克服的各项重要问题包括：电容式感测的讯噪比（SNR）要求、低功耗的需求、手机的机械式考量、及可编程控制器在系统开发阶段带来的众多优势，以及采用电容所开发的透明触控萤幕。

电容式感测器的讯噪比

高讯噪比（SNR）为业者在开发强固型电容式感测手机的主要关键。在电子通讯与其他工程领域，讯噪比通常以分贝dB为单位。在手指触碰感测应用方面，因为在计算中涉及许多不确定性，所以不建议用dB作为讯噪比的量测单位。以功率计算的dB公式为10*log(P2/P1)，以电压计算的公式则为20*log(V2/V1)。对于触控应用而言，目前尚不清楚哪个公式比较适用。

而且对于「触控dB值」的解释定义并不明确。为避免这些问题，Cypress采用一个简单的比值，作为电容式感测讯噪比的标准。 Cypress的操作指南中指出讯号至少应比杂讯高出5倍。以工程术语来表示，讯噪比至少应为5：1。

如何量测SNR

如(图一)的波型显示出一个如何在触控感测应用中量测SNR的例子。手指未置于感测器时，会产生8次波峰间杂讯。将手指置于感测器时，会产生118次的讯号。讯噪比为118:8，约分后等于15：1。

SNR应量测手指触碰情形的最佳状况与最糟状况。最佳状况的手指触碰是手指大面积的触碰感测器中央。最糟状况则是手指触碰的范围较小，且偏离感测器的中央。在开发手机系统的初期，直接使用手指触碰是可接受的测试方法。金属片或杆皆可取代实际的手指触碰，以排除操作人员的误差，并维持测试的重复性。

按键覆盖层的厚度对讯号强度会有削减的效果，其中一种保守的解决方法是使用厚度稍为高出基准面的按键覆盖层来开发系统。为避免高阶韧体的遮罩效应，可使用未经处理的感测器计数数据来量测SNR。关闭任何自我补偿或自动调校的功能，强迫感测器在没有侦测到手指触碰时，输出值呈现零。未经处理的计数数据，类似如(图一)所示的波型。

《图一 电容式传感器波型的讯号和噪声元素。在这个例子中，当手指置于传感器时，传感器的计数会上扬。波峰间噪声测试为8个计数，讯号的计数为118，因此讯噪比为15：1。》

订立杂讯预算额度

订立杂讯预算额度是管理电容式感测器效能的一种方法，过程中必须列出杂讯来源清单，以降低系统的SNR。对手机而言，这些杂讯来源包括内部IC杂讯、RF杂讯、以及AC线路杂讯。估计感测器计数对每个杂讯来源产生的效应。这些计数的总和加上设计预留的额外计数空间，所产生的SNR应高于5：1。

手机本身就会产生一个有高RF能量的环境，这比起系统少数几个杂讯来源，会对系统产生更大的影响。在RF传送器旁运作的电容感测器会让感测器电路产生天线的效果。再加上大量的RF能量流入控制器IC，会对感测系统造成意想不到的结果，让触控感测的功能失去作用。这个潜在问题有个简单的解决方案，就是使用许多电阻，来降低共振。以串联模式置入数百欧姆的电阻，并紧邻在控制IC的针脚旁，就足以防止这个问题产生。

行动代表低功耗

手机专用的电容式感测解决方案需要具备低功耗的特性。对于使用电池的行动装置来说，低功耗意谓着控制器应以所需时间还要慢的速度连结主机端、在周期时间内扫瞄感测器、并在没有其他事件等待时，切换至休眠模式。

延长电池续航力的关键在于将感测器扫瞄与处理资料时的平均电流降至最低。平均电流的计算，是求出运作电流与休眠模式电流的时间加权平均值，因此在两次扫瞄之间，控制器休眠的时间愈长，电池续航力也就愈长。休眠时间面临一个实际上的限制，就是系统的延迟，指的是触碰事件与系统对触碰进行反应之间的延迟时间。没有技术背景的使用者，则会把高度延迟描述成按钮反应迟缓。在最严重的状况下，极长的休眠间隔会产生漏失使用者互动的情形。

手机设计的挑战，是在快速感测反应与低功耗之间取得理想平衡点。对于手机设计而言，理想的延迟时间目标应是30至50毫秒。为进一步降低功耗，若在一段时间后没有侦测到使用者的输入动作，感测器通常都会切换至较长延迟的模式。这种称为待机模式的较慢扫瞄模式，其延迟时间为100毫秒以上。当使用者资料输入时，系统则切换至主动扫瞄模式，也就是对按钮的反应速度加快。

以例子介绍如何在一个内含12个感测器的手机设计中，让待机模式平均电流达到33μA的目标。平均电流IAVE的计算公式如(公式一)所示。扫瞄时间设定为每个感测器0.5毫秒（t1 ＝ 12×0.5 ＝ 6毫秒）。待机模式的回报速度为100毫秒；休眠模式的间隔设定为94毫秒（t2 ＝ 100 － 6毫秒）。休眠模式电流与运作模式电流可从控制IC的资料表读出（ISLEEP ＝ 3μA， IACTIVE ＝ 1500μA）。从公式一可算出这些参数产生平均电流为93μA。若只有部份的感测器在待机模式中被扫瞄，则可进一步降低平均电流。将12个感测器安排在3个群组，可缩短扫瞄时间（t1 ＝ 12/3×0.5 ＝2毫秒）。这个例子的平均电流可降低至33微安培。

《公式一》

手机的机械考量因素

手机的封装趋势是愈来愈薄，因此机械的层叠配置，是系统设计的一项重要考量因素，如(图二)所示。事实上，感测器电路配置设计不良，以及过高的金属厚度，都会造成手机SNR偏低。

《图二 手机的封装》

手机电路板通常使用软板，有时使用薄型硬板。电路板使用一层细薄的非导体胶膜固定在覆盖层上，这个胶膜能改善感测器与覆盖层之间的电场耦合效应。胶膜层亦能创造出一个稳定的机械系统，对光和重力的手指按压会产生一致的反应。覆盖层厚度的目标为1至3公厘，为手机封装提供足够的机械强度，且不会让电容式感测讯号产生过度的衰减。

可编程解决方案让开发更有弹性

系统控制器有许多选择方案。在固定功能元件的特别应用方面，唯一的功能就是扫瞄感测器以及输出资料；而在偏向高整合度与弹性应用的可编程感测元件方面，让业者能在最后一分钟仍能进行设计变更，支援非电容式的感测功能。

以下的情况是另一个可编程解决方案带来附加价值的例子。由于所有感测与控制功能都由软体来控制，因此可在低功耗待机模式下，设定电容式感测器来执行近距侦测，并在正常运作模式时将同一个感测器设定成触控感测器。在待机模式中，近距感测器会在电容式感测器上方一或两公分的区域内扫瞄是否有手指靠近。当感测到有手指靠近时，PSoC会透过软体进行重新设定，让触控感测功能取代近距感测功能。手机会持续维持运作模式，直到使用者停止和电容式感测器进行互动，在这个情况下，手机会切换至待机模式，感测器则切换成近距感测器。

电容式透明触控萤幕

手机触控感测的最新趋势是运用置于玻璃或塑胶薄膜上的ITO。 ITO代表氧化铟锡。它是一种导电材料，在当成胶膜使用时，会呈现透明状。它已被应用在电阻式触控萤幕数年之久。最近微控制器的技术演进，让业者能开发出电容式触控萤幕。由于电阻式触控萤幕必须依赖触控表面的机械弯曲，因此终有一天会因磨损而须更换。电容式ITO触控萤幕则不须依赖机械弯曲。免于此种机械故障是电容式ITO触控萤幕胜过标准型电阻式触控萤幕的一项优势。

结语

电容式感测使用者介面近几年已取代可携式多媒体播放器的机械式按键。这个趋势也开始蔓延到手机应用领域。电容式感测器可视为取代机械式按钮的方案，也为手机研发业者带来另一种崭新的外观触控选择。本文介绍如何将电容式感测功能整合到手机中。在未来数年，我们也将看到这项技术带动许多酷炫的功能。

---作者任职于Cypress赛普拉斯半导体---