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電容式觸控解決方案能以PCB、電容式和單層氧化銦錫(ITO)等觸控屏幕途徑滿(mǎn)足大部份裝置的需求，但要決定哪一種方案對(duì)特定使用案例來(lái)說(shuō)最智能、最安全時(shí)，尺寸與功耗等因素也很關(guān)鍵…

 

從工業(yè)、汽車(chē)、醫(yī)療裝置到智能手機(jī)與平板等日常消費(fèi)性電子產(chǎn)品應(yīng)用等各種技術(shù)，都能找得到電容感測(cè)(capacitive sensing)技術(shù)的蹤跡。這項(xiàng)技術(shù)能夠快速普及的主要原因，在于它能輕易地提升裝置的使用者體驗(yàn)，讓制造業(yè)者由傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)向更具吸引力的觸控功能。

 

電容感測(cè)技術(shù)還有助于減少裝置的機(jī)械元件數(shù)量，從而延長(zhǎng)裝置的使用壽命和縮小尺寸。這些特性的組合只要設(shè)計(jì)、校淮和控制得當(dāng)，就能讓具有電容式感測(cè)功能的產(chǎn)品吸引力倍增。

 

電容感測(cè)技術(shù)也廣泛用于觸控按鍵和滑桿功能，特別是在消費(fèi)性、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中非常普及，但最常見(jiàn)的目標(biāo)應(yīng)用還是觸控板和觸控屏幕。要設(shè)計(jì)出兼具低成本、反應(yīng)靈敏以及節(jié)能的感測(cè)器，而且在多雜訊環(huán)境中能穩(wěn)定運(yùn)作，已是當(dāng)今市場(chǎng)中的常規(guī)要求，然而對(duì)大多數(shù)工程師來(lái)說(shuō)的確頗具挑戰(zhàn)性。

 

這些挑戰(zhàn)對(duì)于未來(lái)幾年內(nèi)將快速進(jìn)展的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和穿戴式技術(shù)尤其明顯，消費(fèi)者的期望是，這些裝置就算無(wú)法提供比現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)裝置更好的使用體驗(yàn)，至少也要保持同樣水淮。許多方法和設(shè)計(jì)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(cè)方法對(duì)其應(yīng)用來(lái)說(shuō)最好。

 

觸控板

針對(duì)使用者介面，最基本的觸控感測(cè)應(yīng)用就是大家耳熟能詳?shù)耐渡涫诫娙萦|控技術(shù)(Projected Capacitive Touch；PCT)觸控板。這些設(shè)計(jì)是由玻璃板之間導(dǎo)電材料層的行列矩陣所構(gòu)成。在這個(gè)網(wǎng)格施加電壓就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)可在每個(gè)交叉點(diǎn)測(cè)得。當(dāng)某個(gè)導(dǎo)電物體，例如人類(lèi)手指接近和接觸PCT面板時(shí)，就會(huì)改變接觸點(diǎn)的電場(chǎng)，同時(shí)產(chǎn)生了電容差。

 

工程師可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)PCT技術(shù)：自電容(self-capacitance)觸控板與互電容(mutual capacitance)觸控板。

 

自電容設(shè)計(jì)是在印刷電路板(PCB)上，由接地銅箔(ground pattern)圍繞。PCB上的每個(gè)感測(cè)器會(huì)與周?chē)慕拥劂~箔以及感測(cè)器頂部的電場(chǎng)線路形成寄生電容。當(dāng)手指靠近時(shí)會(huì)導(dǎo)入額外的電容，導(dǎo)致電場(chǎng)扭曲。這種設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)在于一次只能偵測(cè)到一次觸控，因此，它雖然是頗具經(jīng)濟(jì)效益的模型，但只適用于屏幕后方空間有限的裝置。

 

然而，互電容感測(cè)方法(mutual capacitance sensing；指任兩個(gè)具有電荷的物體之間存在的電容)能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控偵測(cè)，非常適合配備大型顯示器的復(fù)雜裝置設(shè)計(jì)。當(dāng)手指觸控的時(shí)候，兩物體之間的互電容會(huì)減少，觸控控制器由于偵測(cè)到這個(gè)改變而辨識(shí)到手指的存在。最重要的是，每個(gè)交叉點(diǎn)都各有獨(dú)特的互電容，可以獨(dú)立追蹤。

 

對(duì)于互電容觸控板來(lái)說(shuō)，手指的存在會(huì)導(dǎo)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(huì)增加感測(cè)器所測(cè)量到的整體電容。

 

觸控屏幕

多個(gè)電容式觸控板可組合形成觸控屏幕或觸控面板，用于偵測(cè)單片玻璃板上一個(gè)或多個(gè)手指的位置。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦以及高階穿戴式裝置等空間有限的裝置，并可區(qū)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(lèi)應(yīng)用。

 

PCB觸控面板：低成本、低功耗，但制造難度高

PCB觸控面板基本上是放置在顯示器附近的兩個(gè)或多個(gè)PCB自電容觸控板。對(duì)于沒(méi)有空間限制的原型建構(gòu)和商業(yè)設(shè)備，由于可以采用普及的低成本標(biāo)淮PCB制程，因此是理想選擇。在設(shè)計(jì)PCB觸控面板的觸控按鈕時(shí)，尺寸通常是考慮的關(guān)鍵參數(shù)。然而形狀和按鈕間距(pad pitch，按鈕之間的距離)也應(yīng)納入考量，以便將錯(cuò)誤檢測(cè)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迭的高導(dǎo)電材料——ITO導(dǎo)電層，一層用于列，一列用于行。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特點(diǎn)在于每個(gè)交叉點(diǎn)都有自己的獨(dú)特互電容，可由觸控控制器獨(dú)立追蹤。

 

電容式觸控面板由于能提供多點(diǎn)觸控，且易于配置支援兩個(gè)或更多觸控板，非常適合許多應(yīng)用。此外，其超薄的模組設(shè)計(jì)更是較大屏幕尺寸應(yīng)用的理想選擇。

 

不過(guò)這些設(shè)計(jì)也不是毫無(wú)缺點(diǎn)——導(dǎo)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(dǎo)致高耗電需求，不適合用于追求精簡(jiǎn)的穿戴式產(chǎn)品。

 

單層ITO觸控面板：低成本、低功耗且易于建構(gòu)

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(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。主要不同之處在于觸控板的數(shù)量采預(yù)先定義，因而無(wú)法像電容式觸控面板般靈活地變化。預(yù)定義的特質(zhì)極有益于尺寸大小和控制器運(yùn)算資源的安排。從制造的角度來(lái)看，這個(gè)方法與電容式觸控面板極為相似，不過(guò)電容式觸控面板只使用單一ITO層，。

 

在確定最適合自己應(yīng)用的模式之前，工程師需要權(quán)衡所有設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)。整體而言，電容式觸控解決方案能夠以簡(jiǎn)單的方式滿(mǎn)足大部份裝置的設(shè)計(jì)和功能需求，但要決定哪一種方案對(duì)特定使用案例來(lái)說(shuō)最聰明、最安全時(shí)，諸如尺寸與功耗等其他因素也是重要關(guān)鍵。