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感測器/MEMS  

電容式感測涉足手機觸控式螢幕

上網時間: 2007年10月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:手機  感測器  觸控式 

作為行動手機中用於機械按鍵的一種實用且創新的替代方案,電容式感測用戶介面正在脫穎而出。雖然電容式感測器可被視作傳統按鍵的簡易替代方案,但該技術不僅僅是半球型開關的一種升級。當手機採用觸控式感測器時,手機製造商在設計中可獲得一種讓人耳目一新的嶄新外觀。

利用電容式感測器,手機按鍵,即鍵盤墊(key mat),無需移動式組件就可以實現,如此將形成平順光滑的接觸表面。此外,設計人員還可在機械按鍵頂端選用電容式感測,輕按會觸發電容式感測,重按則啟動機械開關。

整合了這種技術的手機不僅能感測手指的位置,還能感測到手指對按鍵施加壓力的輕重。輕按可能與電話號碼簿翻頁有關,重按則可能是對選定的號碼撥打電話。

近年來,手機設計中出現的最引人注目的趨勢之一,是電容式感測器和透明導體的結合。這種透明鍵盤墊為設計人員提供了許多創新的選擇。

電容式感測的SNR

要在行動手機設計中實現一個強韌的電容式感測設計,關鍵在於獲得較大的訊息噪音比(SNR)。在電子通訊和其它工程領域,SNR通常以分貝表示。但在手指感測應用中,並不建議採用dB作為SNR的測量單位,因為目前對其計算方式還不明確。基於功率的dB公式是10•log(P2/P1),基於電壓振幅的公式則是20•log(V2/V1),但究竟哪一個公式更適合觸控應用尚不清楚。此外,在‘觸控的分貝數’解釋方面也存在著混淆。為了避免這些問題,Cypress半導體公司採用一種簡單的比率作為電容式感測SNR的基準。Cypress提出的最佳實踐指南是訊號比噪音至少大5倍。就工程術語來說,就是最小的SNR為5:1。

如何測量SNR

觸控感測器應用中的SNR根據感測器輸出端的計數值來測定。例如,感測器上沒有手指時峰值噪音為8。當手指放在感測器上時,獲得的訊號計數是118,則SNR為118:8,簡化後約為15:1。

SNR的測量應該考慮到手指的最好和最壞情況。最好情況是指較大的手指放在感測器墊片中心。最壞情況手指是較小的手指在偏離中心的位置放置。在手機系統的早期開發過過程中,利用真實的手指是一種可接受的方法。不過,若開發人員希望測試過程更獨立,而且可一再重複,那麼就能以金屬盤或金屬棒來取代真實的手指。

由於覆蓋膜(overlay)厚度會削弱訊號強度,因此,一種較穩健的方法是在系統開發時,採用比預計厚度稍厚一些的覆蓋膜。為避免較高階韌體的遮蔽效應,可利用原始且未壓縮的感測器計數值來測量SNR。當沒有手指觸控時,可切斷任何讓感測器輸出歸零的自我補償或自動校準功能。

圖1:觸控感測器應用中的SNR根據感測器輸出端的計數值來測定。
圖1:觸控感測器應用中的SNR根據感測器輸出端的計數值來測定。

設立噪音預算

管理電容式感測器性能的方法之一是設立噪音預算,這包括列出可能降低系統SNR的噪音源。對行動手機而言,這些噪音源包括內部IC噪音、RF噪音和交流線路噪音。必須估算每一個噪音源對感測器計數值的影響。把這些計算值加上額外施加的計數值,並將總和作為設計餘量,將會使SNR大於5:1。

行動手機本身就會產生一個RF能量很高的環境,與對系統增加少許噪音計數相比,這種環境對系統的影響可能更大。當電容式感測器靠近RF發射器運作時,所帶來的問題是感測器的跡線相當於有效的天線。大量RF能量與控制器IC的耦合可能在感測器系統中導致不良後果,造成觸控感測的失效。這種潛在問題的一個簡單解決方案是利用串聯電阻來抑制諧振。只要將數百歐姆的電阻和感測器的輸入串聯,並盡可能靠近控制IC的接腳放置,就足以防止這類問題的產生。

行動裝置需要更低功率

對行動手機而言,電容式感測解決方案的功耗必須很低。對於電池供電的行動設備而言,在低功率目標要求下,控制器向主設備報告的速度不應該過快,對感測器的掃描時間也不應該過長,若無其它事件待處理時,就應該進入睡眠狀態。

延長電池壽命的關鍵是把感測器有效掃描和處理數據時流經的平均電流降至最低。平均電流可透過簡單的有功電流和睡眠電流時間加權平均計算來求得,故每次掃描之間,若控制器的睡眠時間越長,電池壽命就越長。

然而,長睡眠時間間隔的實際限制是系統的延遲,亦即觸控事件和系統對觸控的響應之間的遲滯。在非技術性用戶看來,大的延遲表現為按鍵的反應遲緩。在極端情況下,極長的睡眠時間間隔會導致按鍵在一段時間內失效。

在手機設計中,解決上述問題的最大挑戰是在感測器快速響應和低功耗之間找到一個良好的平衡點。針對行動手機設計,30~50ms的延遲是個不錯的目標。若要把功耗降到更低,則若很長時間都沒有用戶輸入,開發人員就必須讓感測器進入更長的延遲模式。這種較慢的掃描模式稱為待機模式,具有100ms或更長的延遲。一旦出現用戶輸入,系統立即進入有效掃描模式,按鍵響應速度則更快。

以下的運算實例顯示在一個具有12個感測器的手機設計中,如何在待機模式下實現低至33mA的平均電流。掃描時間設定為每感測器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=100-6ms)。睡眠電流和有功電流可在控制器IC數據手冊中查到(ISleep=3μA,IActive=1,500μA)。把這些參數代入平均電流IAVE運算公式,可求得平均電流為93μA。

如果待機模式下只有一部份感測器被掃描,那麼平均電流可能更低。把12個感測器分為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33μA。

圖2:由於行動手機的封裝日趨纖薄,機械尺寸已成為一個重要的考慮因素。
圖2:由於行動手機的封裝日趨纖薄,機械尺寸已成為一個重要的考慮因素。

機械考量

系統設計中,由於行動手機的封裝日趨纖薄,機械尺寸已成為一個重要的考慮因素。事實上,感測器跡線佈局不佳和覆蓋膜材料過厚,是行動手機中SNR偏低的主要原因。

電路板通常是可撓性電路,在某些情況下,也有可能是一種很薄的剛性板。電路板透過絕緣黏合膜的薄層被安裝在覆蓋膜上,提高了從感測器到覆蓋膜的電場耦合。該黏合層還形成了一個能夠對手指輕壓和重壓都穩定響應的機械系統。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感測訊號的情況下為手機提供所需的封裝機械強度。

可編程解決方案

進入編程階段時,系統控制器有多種選擇。在專用元件方面是只負責掃描感測器和輸出數據的固定功能元件。在高度整合及靈活的元件方面,是可以執行大範圍電容感測功能的可編程感測元件,包括按鍵、游標、觸控板和近接感測器等。

此外,這種靈活性還可以簡化最終階段要更改設計的過程,並支援通常由一個或多個元件完成的非電容式感測功能。例如,手機可能需要多項功能,包括利用鍵盤墊完成的電容感測、透過光電二極體進行的環境光感測、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執行小型馬達的馬達驅動。所有這些功能都能透過使用C語言開發的靈活軟體整合在單晶片中。

讓我們以下列情景為例,看看一個可編程方案所帶來的價值。由於所有的感測和控制功能都由軟體控制,因此有可能把電容式感測器配置為在低功率待機模式下的近接檢測,也可能把同一個感測器配置為正常工作模式下的觸控感測器。在待機模式下,近接感測器掃描手指是否出現在上述任何電容式感測器上方1或2cm的區域。

當感測到有手指接近時,感測器可由軟體重配置,讓觸控感測功能取代近接感測功能。手機將繼續工作在這種模式下,直到用戶停止和電容式感測器的互動。這時,近接感測器會把手機設置回待機模式。

透明電容

行動手機中觸控感測的最新趨勢是在玻璃或塑料膜上使用氧化銦錫(ITO)。ITO是一種導電材料,作為薄膜運用時是透明的。這種材料已在電阻式觸控式螢幕中使用多年。現在,微控制器的最新發展成果又使電容式觸控式螢幕成為可能。電阻式觸控式螢幕由於依賴觸控表面的機械變形,因此很容易損壞,必須更換。而電容式ITO觸控式螢幕無需仰賴機械變形。電容式ITO觸控式螢幕超越標準電阻式觸控式螢幕的優點之一,就是摒棄了這種容易產生故障的機械模式。

作者:Mark Lee

資深應用工程師

Cypress半導體公司

Mark.Lee@cypress.com




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