基于電容式觸摸屏技術的觸摸按鍵設計與應用分析

電容式觸控技術在廚房設備中的應用已經有幾年了，例如在烤箱和煎鍋的不透明玻璃面板后面采用分離按鍵實現(xiàn)。這些觸摸控制鍵逐漸替代了機械按鍵，因為后者具有使用壽命短、不夠衛(wèi)生等方面的問題，而且還有在面板上開孔安裝按鍵的相關成本。

圖1：“電荷轉移”技術原理示意圖。

電容式感應技術由于具有耐用、易于低成本實現(xiàn)等特點，而逐漸成為觸摸控制的首選技術。此外，由于具有可擴展性，該技術還可以提供其它技術所不能實現(xiàn)的用戶功能。在顯示屏上以軟按鍵方式提供用戶界面，這通常被稱為觸摸屏。量研科技（Quantum Research）公司在觸摸屏技術方面的發(fā)展為新設備的設計打開了大門，并將日益成為市場主流。 采用量研的電容式觸摸感應技術可實現(xiàn)的設備用戶輸入功能和應用范圍包括：按鍵數(shù)量較少（最多10個）的分離觸摸按鍵應用，一般用作簡單的開關功能按鍵，但也可以定制提供“手勢”類的輸入，例如滑動-打開功能以減少意外操作；針對多按鍵應用的矩陣觸摸按鍵（最多48個），一般用在需要很多用戶功能按鍵的應用中，也可以用于開發(fā)低分辨率的滾動功能器件；空間維度控制器件，如線性滑動鍵或轉盤；用于增加/減少溫度或時間設置，可以使用絕對器件（一次觸摸來設置特定值），或者相對器件（感測手指的移動來增加或減少一個設置點）；用于軟按鍵的固定按鍵觸摸屏；在顯示器上提供透明的固定位置/尺寸按鍵。可以按透明/非透明按鍵組合形式實現(xiàn)，由一個芯片驅動；用于完全可重配置軟按鍵的模擬觸摸屏，顯示屏上完全可重配置按鍵（大小和位置）報告x-y方向上的觸摸位置，用于主控制器后續(xù)處理。

圖2：使用QT240芯片的典型分離按鍵實現(xiàn)原理圖。

本文將主要介紹電容式觸摸屏的實現(xiàn)與應用，此外，還介紹了傳統(tǒng)的電容式觸摸功能。

1 、技術背景

很多電容感應技術在不同程度上取得成功應用，量研科技的電容式感應技術是基于“電荷轉移”技術。這種技術提供了非常高的魯棒性，全數(shù)字感應非常適合廚房環(huán)境，因為它具有在背景噪聲中辨識信號的優(yōu)越辨識能力。這意味著即使對于非常厚的前面板，電荷轉移感應技術的工作性能也非常好。

量研的矩陣芯片通過將電荷吸入到雙電極按鍵的一個電極來工作（圖1）。電荷弧產生的電場穿透上面的玻璃面板進入到接收電極，該電極將電荷傳送到芯片。當接觸玻璃面板的表面時，一部分電荷被人體吸收，導致信號強度降低。這樣當出現(xiàn)人體接觸時，芯片便能很容易地檢測到。當人體接觸時，水膜具有相反的效應，實際上增加了電極之間的耦合，這是因為水膜運動的方向與芯片能檢測到的方向相反，因此在廚房環(huán)境中常常出現(xiàn)的水效應被抑制。

圖3：攪拌機觸摸表面的復合驅面效果

電荷轉移的過程通過一種微處理控制的開關序列以一種突發(fā)的模式進行。擴頻調制大大增加了信噪比，因而功率更低、響應時間更快以及EMC改善顯著。采用這種技術可以輕易地達到100V/m的RFI容限。這些器件還不斷地對在設備使用壽命內環(huán)境條件的改變進行補償，使得它們即使在很高的溫度和濕度變化下也能獲得很高的可靠性。

量研在其面向設備的芯片中集成的一種額外功能，即連續(xù)的FMEA（故障模式和影響分析）感測及報告，在這里系統(tǒng)主處理器可以使用QMatrix芯片來自診斷整個傳感器模塊的開路或者短路情況。這個報告對整個系統(tǒng)的FMEA確認都是至關重要的。

2、 基于量研電容式感應技術的觸摸按鍵

在過去的幾年時間內量研開發(fā)并完善了分離和矩陣按鍵芯片，為在設備前面板背面實現(xiàn)觸摸按鍵提供了一種便利方法。當連接到QProx芯片時，介電材料背面上的任何導電材料都可以作為一個傳感器按鍵。QProx板設計非常簡單，通常是單面板，可以使用像CEM-1或者類似的低成本材料。采用單面板的實現(xiàn)方式通常是直接將板子粘合到前面板的背面-電極在PCB的反面，通過PCB、膠合層以及前面板進行感測。

圖4：QWheel旋轉觸摸傳感器電路布局。

在需要特定的用戶效果時，可以采用更多有關的構造技術。一個較好的例子是Jenn-Air公司的Attrezzi攪拌器。這個攪拌器的模子內部裝飾技術與一種導電墨一起使用來在曲面的背面提供一個感應層（圖3）。登錄可以了解這種構造技術。

2.1 采用電容式感測技術實現(xiàn)滾動器件

觸摸輸入滾動/指示功能器件，例如iPod音樂播放器上的點擊式轉盤，這類器件在消費市場已經獲得廣泛的認可，正在逐漸出現(xiàn)在消費設備市場。有兩種基本類型的滾動器件：第一種是絕對報告類型，提供直接位置輸出報告；另外一種是相對類型，這類器件提供用來增加或減少某個值的直接報告。

量研開發(fā)出這兩類滾動器件，用于設置時間（圖5）及溫度等。

最近，電容式電荷轉移技術再次被用來提供滾動器件的信號采集方案。對于絕對器件，滾動鍵被做成直線型或者圓形，或者任意其他形狀，這種形狀由阻抗傳感器元件定義，采用三端連接（像直線或弧形這種非封閉形狀可以看成是切開的圓形，圓的兩端作為公共電極）。阻抗元件可以是連接到PCB上焊盤的串聯(lián)電阻，或者采用透明塑料（PET）阻性印制線上的ITO以透明形式實現(xiàn)。相對報告器件使用重復的按鍵帶，通過測量觸摸順序來確定和報告方向。

2.2 用于廚房環(huán)境的觸摸屏

消費電子制造商惠而浦公司第一次引入了一種難以破壞的電容式LCD觸摸屏技術。實現(xiàn)這種應用的新型感應方法為制造商提供了一種開發(fā)清潔、實用、可靠且令人愉悅的產品的工具，激發(fā)了全新的設備概念?；荻止镜腣elos（tm）烤箱就采用了這些新特性，使其工業(yè)設計的效果最佳。該公司通過采用本身包含了觸摸屏LCD和固定觸摸按鈕的單個玻璃烤箱門，在廚房設備領域開創(chuàng)了新的天地。在他們的設計中，常見的固定控制鍵盤正在消失，所有的東西都封在玻璃門里面。

圖5：三星微波爐應用QWheel控制技術。

量研開發(fā)了針對這種設計的新型QField技術。用于廚房應用的主流技術是基于該公司的電容式矩陣器件，這種器件采用前面介紹的被動X-Y掃描來感測按鍵觸摸。通過開發(fā)出成本可接受的感測薄膜，從而實現(xiàn)了Velos產品的創(chuàng)新，這種薄膜可以附著在LCD上玻璃面板的背面，而不需要開孔。量研改進了其電容式矩陣按鍵掃描芯片（‘QMatrix’），將按鍵感應功能整合到透明的觸摸屏薄膜上，并將其他的觸摸按鍵整合到LCD的兩面上，而這些都只需要使用一塊芯片。在Velos產品的設計中，量研提供了支持在LCD上的10個菜單按鍵以及在LCD一側的22個固定按鍵的解決方案。

QField技術具有不易破壞的特性以及高透明度，因此采用該技術設計的產品不容易被尖利的物體、腐蝕性的化學物品以及洗滌混合物所損傷?；荻止緞?chuàng)新性的LCD觸摸屏可以通過無縫的完整曲面玻璃烤箱門來觀察，玻璃烤箱門本身成為觸摸面。觸摸屏周圍不需要密封，將LCD放置在玻璃的后面，這樣大大節(jié)約了產品的組裝成本，也消除了電阻觸摸屏在應用中可能存在的故障。而且，觸摸芯片只需要安裝在單面PCB上，這又降低了產品成本。

很明顯的事實是，盡管電阻式觸摸屏增加了可很多功能特性，但是可能影響整體的設計美學。很多使用電阻式觸摸屏的設備看起來好像很便宜，但與其實際成本并不相符。電阻式觸摸屏在被刮擦和產生裂紋后會很快老化。

此外，廚房設備的成本也很關鍵。QField技術在實現(xiàn)上沒有任何技術壁壘，因為它使用一顆感測芯片和低成本的常用材料及構造方法。與電阻式觸摸屏相比，QField技術的整體系統(tǒng)成本更低。

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