從工業、汽車、醫療裝置到智慧型手機與平板等日常消費性電子產品應用等各種技術,都能找得到電容感測(capacitive sensing)技術的蹤跡。這項技術能夠快速普及的主要原因,在於它能輕易地提升裝置的使用者體驗,讓製造業者由傳統開關轉向更具吸引力的觸控功能。

電容感測技術還有助於減少裝置的機械元件數量,從而延長裝置的使用壽命和縮小尺寸。這些特性的組合只要設計、校準和控制得當,就能讓具有電容式感測功能的產品吸引力倍增。

電容感測技術也廣泛用於觸控按鍵和滑桿功能,特別是在消費性、商業和工業應用中非常普及,但最常見的目標應用還是觸控板和觸控螢幕。要設計出兼具低成本、反應靈敏以及節能的感測器,而且在多雜訊環境中能穩定運作,已是當今市場中的常規要求,然而對大多數工程師來說的確頗具挑戰性。

這些挑戰對於未來幾年內將快速進展的物聯網(IoT)和穿戴式技術尤其明顯,消費者的期望是,這些裝置就算無法提供比現有物聯網裝置更好的使用體驗,至少也要保持同樣水準。許多方法和設計在理想使用情境中的差異極大,因此工程師需要好好考量哪種電容感測方法對其應用來說最好。

觸控板

針對使用者介面,最基本的觸控感測應用就是大家耳熟能詳的投射式電容觸控技術(Projected Capacitive Touch;PCT)觸控板。這些設計是由玻璃板之間導電材料層的行列矩陣所構成。在這個網格施加電壓就會產生一個電場,該電場可在每個交叉點測得。當某個導電物體,例如人類手指接近和接觸PCT面板時,就會改變接觸點的電場,同時產生了電容差。

工程師可以採用兩種方式實現PCT技術:自電容(self-capacitance)觸控板與互電容(mutual capacitance)觸控板。

自電容設計是在印刷電路板(PCB)上,由接地銅箔(ground pattern)圍繞。PCB上的每個感測器會與周圍的接地銅箔以及感測器頂部的電場線路形成寄生電容。當手指靠近時會導入額外的電容,導致電場扭曲。這種設計的主要缺點在於一次只能偵測到一次觸控,因此,它雖然是頗具經濟效益的模型,但只適用於螢幕後方空間有限的裝置。

然而,互電容感測方法(mutual capacitance sensing;指任兩個具有電荷的物體之間存在的電容)能實現多點觸控偵測,非常適合配備大型顯示器的複雜裝置設計。當手指觸控的時候,兩物體之間的互電容會減少,觸控控制器由於偵測到這個改變而辨識到手指的存在。最重要的是,每個交叉點都各有獨特的互電容,可以獨立追蹤。

對於互電容觸控板來說,手指的存在會導致電容減小。相反地,在自電容觸控板,手指施加的額外電容會增加感測器所測量到的整體電容。

觸控螢幕

多個電容式觸控板可組合形成觸控螢幕或觸控面板,用於偵測單片玻璃板上一個或多個手指的位置。這項技術已經廣泛應用於手機、平板電腦以及高階穿戴式裝置等空間有限的裝置,並可區分為PCB、電容式和單層氧化銦錫(Indium Tin Oxide;ITO)觸控面板等三大類應用。

PCB觸控面板:低成本、低功耗,但製造難度高

PCB觸控面板基本上是放置在顯示器附近的兩個或多個PCB自電容觸控板。對於沒有空間限制的原型建構和商業設備,由於可以採用普及的低成本標準PCB製程,因此是理想選擇。在設計PCB觸控面板的觸控按鈕時,尺寸通常是考慮的關鍵參數。然而形狀和按鈕間距(pad pitch,按鈕之間的距離)也應納入考量,以便將錯誤檢測降到最低。

電容式觸控面板:較靈活,但使用案例少

電容式觸控面板具有兩層垂直堆疊的高導電材料——ITO導電層,一層用於列,一列用於行。該設計的關鍵特點在於每個交叉點都有自己的獨特互電容,可由觸控控制器獨立追蹤。

電容式觸控面板由於能提供多點觸控,且易於配置支援兩個或更多觸控板,非常適合許多應用。此外,其超薄的模組設計更是較大螢幕尺寸應用的理想選擇。

不過這些設計也不是毫無缺點——導電層所需的兩層ITO非常昂貴。再者,電容式觸控面板的功耗也非常高,控制器的高睡眠電流導致高耗電需求,不適合用於追求精簡的穿戴式產品。

單層ITO觸控面板:低成本、低功耗且易於建構

單層ITO觸控面板方法是以較低的成本提供電容式觸控面板的多項優點。主要不同之處在於觸控板的數量採預先定義,因而無法像電容式觸控面板般靈活地變化。預定義的特質極有益於尺寸大小和控制器運算資源的安排。從製造的角度來看,這個方法與電容式觸控面板極為相似,不過電容式觸控面板只使用單一ITO層,。

在確定最適合自己應用的模式之前,工程師需要權衡所有設計優缺點。整體而言,電容式觸控解決方案能夠以簡單的方式滿足大部份裝置的設計和功能需求,但要決定哪一種方案對特定使用案例來說最聰明、最安全時,諸如尺寸與功耗等其他因素也是重要關鍵。