如今越來越多的家庭和工作場所充斥著智慧家電,其設計都具有吸引力且十分可靠,理想情況下應該像用戶口袋中的智慧型手機一樣能支援簡單且有利的互動。

隨著電視、機上盒、音訊設備、白色家電、PC周邊裝置、安全監控面板和工業控制等新的智慧家電不斷地進入市場,使用者介面的設計和使用者體驗的品質對於市場吸引力有關鍵影響,最終,影響到銷售和收入。透過使用者介面創造好的印象至關重要,設計人員可選擇各式各樣的技術,如傳統的按鈕開關或其他各種類型的觸控感測器。

開關或觸控的利弊

機械開關(例如薄膜開關)或觸覺開關是業已成熟的技術,提供的優勢包括低成本、易於使用以及整合簡單,僅需使用最少的電子設計或軟體工程。這些類型的開關還能經由觸覺反饋,確保使用者按下按鈕的動作被檢測到。然而,機械開關也有一些缺點,包括相對較慢的響應時間、由於依賴移動元件而導致的低可靠度,以及可能需要額外雜訊抑制或防彈跳的電路等。

另一方面,觸控感測器創造了更現代的印象,也簡化了結構和組裝。安裝機械開關時無需面板開孔,簡化了控制面板的機械設計。面板也更易於密封,以防止液體滲入,如防水。這對咖啡機等廚房家電等設備來說,是相當有價值的功能,同時更可靠,也有利於清潔。

在當今使用的觸控感測技術中,包括電容式、電阻式或壓電感測,電容式感測器被廣泛用於當今市場的產品。電容式觸控感測器易於置放在玻璃或塑膠上,採用網版印刷等製程,可創建各種不同的形狀,例如按鍵、滑動控制桿或旋轉選擇器。背光也易於安排。在沒有任何機械響應確認已啟動觸覺開關的情況下,設計人員可使用光來確認觸控的檢測,更可用來創造時尚的效果,如保持面板的黑暗直到觸控發生後,即使用顏色變化的效果或高科技圖示。還可導入低沉的蜂鳴音或叮噹聲,使觸控增加吸引力。這些效果都與觸控靈敏的使用者介面所帶來的流線外型以及感受協調一致。

感測原理

一般而言,電容式感測運作的原理在於當使用者的指尖接近時,能偵測到感測器裝置的基本電容變化。在自電容偵測中,接近的手指有效地增加了感測器的電容。這種變化增加了觸控板電路的時間常數,這是利用觸控感測控制器中所用的充電時間測量電路而檢測的。

互差動感測是另一種替代技術,它在使用者的指尖靠近觸控板時,偵測感測器裝置和單獨的勵磁觸控板之間發生的電容減少。所檢測到的電容變化(ΔC)接著被轉換為電壓(Vout)。圖1顯示用於產生Vout的差動放大電路。這與ΔC成線性關係,且相當於閾值電壓(Vt)。當Vout超過Vt時,說明檢測到觸控作用。

20160921 OnSemi TA31P1 圖1:差動感測消除了觸控板和接地之間的寄生電容(Cp)

互差動感測因為靈敏度提升而具備了較大動態範圍的優勢。實際的好處包括了感測器模式設計所擴展的靈活度,以及由於有效消除觸控板與接地之間的寄生電容(Cp)而增長了感測器軌跡長度的容限。實際上,軌跡長度已經成功地增加到500mm。

實現觸控模組

觸控感測器必須擁有具備足夠通道的電子控制器以支援所需觸控按鈕的總數。控制器一直以來已作為獨立的特定應用IC或整合於微控制器來實現。基於微控制器的解決方案可結合使用類比周邊和軟體,而其他有些方案則提供專用晶片上觸控功能,如充電時間測量單元(CTMU)與自電容檢測器搭配使用。微控制器供應商可提供免費的電容式觸控軟體IP,有助於簡化程式碼開發。

實現一個獨立的控制器帶來許多優勢。例如安森美半導體(ON Semiconductor)的LC717A00 IC無需主控制器,但具有一些內建功能,包括雜訊消除和水質檢測,以防止雜散回應。此外,還內建了專利的自動雜訊與環境改變補償技術,以防止雜訊相關的故障,以及可改變靈敏度的補償效應,如濕度改變或感測器區域污垢的堆積。

控制器的內建電路具有獨特的C/V轉換放大器,可將監測的差動電容轉換為輸出電壓。無需編程即可顯著縮短開發時間,且無需增添外部元件,因而能最小化物料清單成本。圖2顯示LC717A00採用獨立模式,控制高達8個電容式觸控感測器。該元件具有通訊埠I2C或SPI,可因應需求方便地連接到主控制器。

20160921 OnSemi TA31P2 圖2:採用獨立模式、可監控高達8個感測器通道的控制器

控制器採用差動訊號法,提供高靈敏度,並賦予設計人員自由度,以創建各種形狀的控制面板,因應需求提供長的連接長度。圖3顯示觸控面板設計的範例,有非常長的軌跡長度。數據速率配置超過200Hz,可用於需要快速觸控回應的設備中。

20160921 OnSemi TA31P3 圖3:透過差動感測消除寄生電容,支援較長的感測器軌跡長度

該控制器的高訊號雜訊比(SNR)讓觸控感測變得非常可靠,即使使用者戴著手套也可執行。採用自電容偵測器則通常不可行。此外,該設計規則控制感測器電極的形狀與尺寸,氣隙效應以及覆蓋層厚度和材料則較不受限。圖4顯示採用真實感測器數據的訊號和雜訊級。在該範例中,訊號為17,000的數差以及雜訊為160的數差,因此其SNR為106:1。

20160921 OnSemi TA31P4 圖4:優異的SNR確保可靠的觸控檢測

結論

對於現代智慧家電,以電容式觸控作為使用者介面技術存在諸多優勢。互差動感測確保了可靠的觸控檢測,並為佈局控制面板和選擇材料賦予更大的設計自由。獨立的特定應用觸控IC支援方便快速的建置,以互差動感測技術為基礎,提供無需軟體設計、節省外部元件以及加快專案完成的各種優勢。