近來在便攜式媒體播放器、筆記型計算機、手機市場中陸續(xù)出現(xiàn)的各項令人感到興奮的電容式感測技術(shù)之應(yīng)用，讓人幾乎忘了這類界面技術(shù)早已廣泛地應(yīng)用于家電用品的設(shè)計中許多年了。感測算法與控制電路兩方面的重大進展，讓這項技術(shù)適用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域。設(shè)計人員看到了電容式感測技術(shù)的價值所在—不僅可取代機械式按鍵與膜片開關(guān)；并可適用于各項新穎的應(yīng)用，如：觸控式屏幕與近距傳感器等。

感測電容

電容式傳感器是由導(dǎo)體片、接地面、與控制器所構(gòu)成。在多數(shù)的應(yīng)用中，導(dǎo)體片會用一片銅制電路板，而接地則用灌注填充。這兩者之間存在有原生（寄生）電容（CP）。當(dāng)其它如手指頭等導(dǎo)電物體接近傳感器時，隨著該物體的電容值（CF）增加，系統(tǒng)的電容值也隨之增加。（如圖1）

要偵測由CF造成電容值增加的方法有好幾個。場域效應(yīng)（Field Effect）量測方法中，在感測電容器與系統(tǒng)參考電容器之間使用交流電分壓器。藉由監(jiān)測電流在分壓器上的改變可以感測到手指觸碰時所產(chǎn)生的電容值變化。電荷轉(zhuǎn)移（Charge Transfer）則使用切換式電容器電路以及參考總線電容值，重復(fù)進行從較小的傳感器電容器至較大總線電容器之間的電荷轉(zhuǎn)移步驟。總線電容器上的電壓值與傳感器電容值兩者之間存在著比例關(guān)系，因此在固定次數(shù)的步驟后量測電壓值，或藉由計算達到某一電壓臨界值所需的步驟次數(shù)，來決定該電容值。另外，弛張振蕩器（relaxation oscillator）則是用量測充電時間的方法，其中充電速率通常是由固定電流源的值和傳感器電容值所決定的。較大的傳感器電容器需要較長的充電時間，這部份通常能運用脈沖寬度調(diào)變器（PWM）與定時器來進行量測。至于連續(xù)近似法（Successive Approximation）也是量測電容充電時間的方法，不同的是當(dāng)中的起始電壓是由連續(xù)近似法所決定的。

以PSoC 組件執(zhí)行的連續(xù)近似法（Cypress 申請之專利）采用一組電容對電壓的轉(zhuǎn)換器以及單斜率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。其電容值量測方式是先藉由將電容值轉(zhuǎn)換至電壓值，接著將該電壓值儲存于電容器內(nèi)，然后再利用可調(diào)式電流源來量測所儲存之電壓值。其中電容值對電壓值轉(zhuǎn)換器乃是利用切換式電容器技術(shù)，此電路系統(tǒng)讓傳感器電容器可依其電容值反映出對應(yīng)的電壓值。切換式電容器所用的頻率則是由PSoC 本身內(nèi)部的振蕩器所產(chǎn)生。

傳感器電容器連接到模擬多任務(wù)總線上，并利用同樣連接總線的可編程電流輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（iDAC）進行充電。每個總線上充電電量為q=CV。當(dāng)SW2 為開路且SW1 為閉路時，跨CX兩端的電位勢為零，且會減低總線上的電量，所減低的值與傳感器的電容值成比例。這種充放電的動作會一直重復(fù)，此時傳感器電容器也會成為總線上的電流負載。（如圖2）

藉由切換式電容器的電路運作，iDAC 就會以二元搜尋法的方式?jīng)Q定出總線上恒定的電壓值有多少。該電壓值會影響切換式電容器的切換頻率、傳感器電容值、以及iDAC 的電流值?？偩€其實也等同于一個旁路電容器（bypass capacitor），可以穩(wěn)定最終電壓。在總線上也可以增加額外的電容器，以調(diào)整電路的行為與時序。

計算所得的iDAC 值接著再度用來對總線充電，并且測量總線從初始電壓到比較器的臨界電壓所需的充電時間。初始電壓是在沒有手指觸碰的情形下，因此充電時間可事先測定。當(dāng)手指觸碰傳感器時會增加CX 的值，并且降低初始電壓，因此會延長充電時間量測。（如上公式及圖3）

建構(gòu)傳感器

電容傳感器有多種型態(tài)與功能，可以采用各式各樣的媒介，實作樣式從簡單到復(fù)雜都有。而決定傳感器建構(gòu)與建置細節(jié)的還是應(yīng)用本身的需求。最常見的傳感器樣式要屬按鍵與滑桿。按鍵其實就是連接至控制器的大型導(dǎo)體片，其中所測得的電容值會與一連串的臨界值作比較，而測定結(jié)果也能藉由數(shù)字輸出獲得，或用其它模擬特性，以進一步感測觸

動的壓力或手指面積。至于滑桿則是許多導(dǎo)體片以直線或放射狀排列所構(gòu)成的。利用計算質(zhì)心的算法就可以測定出接觸的位置，而且分辨率遠大于感測所用的針腳數(shù)。像按鍵或滑桿這類簡單的電容感測器，絕大多數(shù)都會采用銅片沉積至印刷電路板。然而也能使用其它基板材質(zhì)與沈積媒介物制作電路，例如高導(dǎo)電性的銀墨（silver ink）。（如圖4）

動態(tài)使用者接口的按鍵或觸控區(qū)則可以任意配置其顯示器樣式。這類的顯示器擁有更為平順且直覺化的互動操作，創(chuàng)造更佳的使用者經(jīng)驗。要建構(gòu)這類系統(tǒng)比一般簡單的按鍵或滑桿更為復(fù)雜。投射式電容觸控屏幕在顯示器上多加了透明導(dǎo)電物質(zhì)。這層導(dǎo)電表面利用沈積方式附著于玻璃或PET 薄膜這類基板上，并且連接至控制電路，接著再將此基板黏著于觸控表層與顯示器之間。觸發(fā)區(qū)域測定方式與滑桿相同?？v向與橫向的兩組滑桿相互交錯以覆蓋整個顯示區(qū)域，而且這兩個方向的滑桿會偵測觸動位置并且輸出x 軸與y 軸數(shù)據(jù)。由于投射式電容觸控屏幕上方還有一個覆蓋層，因此也保護屏幕不受直接沖擊、彎曲、環(huán)境因素影響等常見于傳統(tǒng)電阻式觸控屏幕的傷害。

近距傳感器基本上就是很大的按鍵。近距傳感器的目的并不在偵測導(dǎo)電物體的確切位置，而是物體是否在附近。由于不需知道物體確切位置，因此反應(yīng)時間可以稍慢 （3-4ms vs. 250us）。近距傳感器的靈敏度高很多；設(shè)計得當(dāng)甚至可達30cm 的距離。也由于近距傳感器無須結(jié)合任何顯示圖形，因此在裝置中的擺放位置就有更多的彈性。無論是控制電路板外的銅線圈，或是覆蓋層后方的導(dǎo)線，都可以建置出非?；厩揖叱杀拘б娴慕鄠鞲衅?。（如圖5）

使用電容傳感器

電容傳感器的用途日益廣泛。上述傳感器的彈性、耐用、簡潔的特性已為許多設(shè)計人員創(chuàng)造了新的機會?；镜倪x單瀏覽和點選功能依然使用按鍵方式，但使用價格實惠的電位計這種具備模擬特性的按鍵，就能建置出更多簡單、具成本效益、可靠又安全的功能。

LG LA-N131DR 空氣清靜機在面板顯示器選單瀏覽的按鍵上中用了五個電容傳感器。這些按鍵讓設(shè)計人員可以設(shè)計出平順的機身，同時也具備使用者接口。電容式按鍵透過四毫米的玻璃偵測有無手指觸碰。

控制電路則建置在雙層印刷電路板上沒有傳感器的一面。LG 采用PSoC 混合訊號數(shù)組來控制傳感器，并且將狀態(tài)輸出至主要的裝置處理器上。（如圖6）

近距傳感器具備反應(yīng)式背光功能，這主要是為了夜間操作或是安全因素考慮。這些情形多半需要更大的觸發(fā)組件，例如成人的手或是金屬罐子，才有辦法達到可控制的范圍。近距傳感器、按鍵、滑桿、甚至是觸控屏幕，都可利用PSoC 的單一處理器進行控制。韌體例程則可依照使用者輸入或主機命令進行狀態(tài)的更改。

為您創(chuàng)造電容感測應(yīng)用

PSoC 混合訊號數(shù)組內(nèi)含一個包含可組態(tài)的數(shù)字與模擬資源、閃存、RAM、8 位微控制器與其它多種功能的數(shù)組。這些特色讓PSoC 能在其CapSense 系列產(chǎn)品中實現(xiàn)創(chuàng)新的電容感測技術(shù)。運用PSoC的直覺式開發(fā)環(huán)境即可為裝置進行組態(tài)與重新組態(tài)，以符合設(shè)計規(guī)格或任何規(guī)格變更。新感測技術(shù)的出現(xiàn)提升了感測靈敏度與抗噪聲能力，并且減少功耗、增加升級速率，讓設(shè)計人員創(chuàng)造出更好的應(yīng)用產(chǎn)品。