智慧型手機已經成為人們日常生活的一部份,其功能已超出了手機範疇。對於很多人而言,它還是一種重要的科學儀器、數位醫生、電子書閱讀器、音樂播放機、連網的社交媒體以及其它無數應用的工具。隨著人們對智慧型手機功能的需求越來越高,開發設計人員必須讓智慧型手機變得更加智慧。

舉例來說,想像這樣一支手機,它能夠學習每個用戶的使用習慣並自動調整,例如根據左右手習慣將手機一側的音量鍵移至另一側,或者讓用戶使用手機背面的觸控板單手控制螢幕功能。我們可以利用電容式觸控感測技術輕鬆地實現這些先進功能。

電容式感測技術能夠透過測量電容變化檢測到導電物體的存在和不存在,甚至包括使用者的手指。該技術同樣適合按鍵、滑桿、開關、觸控板、觸控螢幕和近接感測器,從而讓設計人員能夠提升智慧型手機的設計層次。本文主要介紹行動裝置能夠利用電容式觸控感測技術實現的智慧功能。

特殊手勢

目前,觸控螢幕使用者介面通常需要使用者以雙手操作智慧型手機。電容式感測技術讓設計人員能夠創造一個特殊手勢介面,允許使用者以單手操作手機,並用拇指控制各種功能。例如,手機側面一個簡單的四段電容式滑桿感測器(圖1)能夠實現向上滑動、向下滑動、輕彈、按壓與長按等功能。這些功能可與智慧型手機的各種應用配合使用,如瀏覽螢幕、上下捲動文件或選擇/取消選擇圖示。此類單手介面可增加手機操作的便利性和簡約性,從而大幅提升用戶體驗。

20160412 Cypress TA31P1 圖1: 使用一個四段電容式滑桿的特殊手勢

手握檢測

手機兩側的電容式觸控感測器能夠檢測出使用者手握手機的方式和位置。一旦手機能夠做到這一點,就能建置無數的功能。例如,手握檢測功能能夠根據使用者的拇指位置區分出用戶是左撇子還是右撇子,然後根據左手或右手使用習慣動態調整整個使用者介面,包括手機的音量鍵、觸控螢幕圖示等等。

出於安全考慮,美國聯邦傳播委員會(FCC)要求手機廠商符合射頻(RF)輻射的特定吸收率(SAR)規定。手握檢測功能可根據手機是在使用者手中或桌面上調整RF輻射。另一個功能是整合手機鎖定和手握檢測;當用戶手握整支手機時,就可以鎖定手機。圖2顯示常見的手握模式。

20160412 Cypress TA31P2 圖2:使用電容式感測可檢測不同的手握方式

虛擬鍵

當今大多數的手機利用固定位置的機械按鍵控制音量。將機械按鍵轉變為電容式觸控鍵不僅能讓手機看起來更加時尚,而且還能實現虛擬音量控制鍵,利用手機邊框的電容式感測器動態移動到手機邊緣的任意位置。由於電容式感測器是簡單的纖薄銅墊,將可為智慧型手機打造一個整潔、吸引人的外觀。如圖3所示。

20160412 Cypress TA31P3 圖3:手機邊框中的電容式感測器可實現音量調節等控制功能的靈活部署

智慧對焦

透過支援手機背面的手勢模式,電容式感測技術還能用於單手控制螢幕功能,如圖4 所示。例如,在拍照時,用戶可以利用電容式感測器調節相機的焦距。只需輕點感測器,就能讓使用者從拍照模式輕鬆切換到視訊模式,同時又不失去對焦功能。

20160412 Cypress TA31P4 圖4:手機背面的電容式感測器能讓用戶快速對焦或切換相機模式

近接人臉感測

近接感測(proximity sensing)正成為眾多智慧型手機的一個重要功能。近接感測器的主要目的是避免意外或誤觸操作,例如,使用者接電話時臉部經常觸及螢幕(如圖5)。該功能還可提高能效,讓智慧型手機在用戶通話期間關閉LCD背光。

相較於傳統的紅外線(IR)感測技術,電容式近接感測技術擁有諸多優點。主要的優勢是:電容式感測器無需剪切覆面材料,因而能夠降低行動裝置的加工成本,使其更加美觀。

20160412 Cypress TA31P5 圖5:近接人臉檢測功能可在使用者臉部不慎碰觸螢幕時避免誤觸操作

利用近接感測技術實現近距離喚醒

近距離喚醒功能是近接感測技術實現的另一個重要功能。可靠的電容式近接感測器能夠在用戶距離其30公分時檢測到用戶正靠近中。該功能可讓用戶在黑暗中找到手機,因為當用戶靠近時,手機的顯示螢幕或按鍵LED燈會自動亮起。近距離喚醒功能可在用戶靠近時控制背景光LED燈。這一功能並有助於縮短手機的喚醒時間、提高其回應速度、降低其功耗,以及增加美觀。這是手機的一項重要功能,因為它能大幅延長電池的續航時間。

手機的SAR規定

SAR是測量人體暴露於RF電磁場時所吸收能量的比例。諸如FCC等監管機構要求裝置必須降低靠近人體時的發射功率以限制被人體吸收的RF能量。基於電容式感測技術的近接感測器可用於檢測人體鄰近性,並在需要時降低RF功率。

按鍵、手寫筆和手套

無論是出於天氣寒冷或工作需要,當使用者戴上手套時,智慧型手機的觸控介面也應該能夠正常操作。電容式感測技術的進步讓手機能夠檢測出戴手套的手所產生的低強度訊號,同時忽略來自手指懸停於感測器上方的假訊號。電容式感測技術結合採用感測器硬體和韌體演算法,實現戴手套操作所需的功能和靈敏度。或者,很多大尺寸螢幕的手機配備有一支手寫筆,目的是便於使用者瀏覽螢幕上的資訊,此外,手寫筆也可用於操作電容式按鍵。這種雙重用途對於提高便利性至關重要,讓用戶能在使用手機時無需在手寫筆和手指之間來回切換(如圖6)。

20160412 Cypress TA31P6a 圖6:電容式觸控按鍵讓智慧型手機得以實現使用手寫筆和手指控制的雙重功能

耐水性

先進的耐水特性用於確保智慧型手機在潮濕環境下仍能可靠操作。建置耐水性功能的方法有二:保護電極和防護感測器。使用保護電極可避免電容式感測器上的水珠導致誤觸操作,從而讓用戶能夠正常使用電容式控制功能。而防護感測器則用於因應連續水流的情況,它能夠阻止所有其它感測器被觸發而導致的誤觸操作。

上述的先進功能可提升智慧型手機用戶的體驗,而且還為製造商提供與競爭對手產品實現差異化的機會。為了建置這些功能,開發人員需要一種成熟可靠且提供較高訊號雜訊比(SNR)與靈敏度的電容式感測技術。此外,他們還需要能夠補償多餘的寄生電容。為了加快開發速度,該技術需要配備詳細的設計和佈局指南。

例如,賽普拉斯(Cypress)的CapSense電容式觸控感測技術解決方案利用PSoC系列可編程SoC處理器,提供超過100:1的SNR、強大的抗干擾能力、保護電極和低功耗運作模式。諸如SmartSense Auto-Tuning等生產就緒的韌體演算法則有助於實現持續的監控以及補償環境條件。