4.捕捉電容助感測操作
電容式觸控感測器的基本設計思維與投射容量方式完全相同,如圖3 所示,兩者都是捕捉電極之間的電容變化,製作上是在印刷基板上形成電極,電極表面再覆蓋銲阻抗劑(Solder Resistor),其中一方當作接地,另一個當作感測電極。
圖3 手指接近時電容增加
圖4 是實際按鍵部位的圖案與感測距離的範例,隨著按鍵形狀、尺寸不同,感測距離也會產生變化。距離太長容易發生失誤,距離太短容易反應遲鈍,因此實際應用必須根據用途與機器的結構,調整按鍵部位的圖案。
圖4 弛張震盪電路PWM 切換電路的基本結構
圖4(d)呈現的鋸齒狀為滑塊用,它可以感測手指處於水平方向的方位,應用在類似MP3等歌曲點播、音量調整,要求以手指橫向操作的產品上。而電容式觸控感測的運作方式如下:
4.1 弛張振盪
量測電容器的容量變化,是弛張振盪方式(Relaxation Oscillator)典型方法,如圖5 所示,弛張振盪方式利用電阻器與定電流電源使電容器充電,接著量測一定電壓的時間,當手指觸壓面板時,電容器的容量越大,反應時間則越來越遲緩。
圖5手指接近時電容改變
此處假設反應時間為t,電源電壓為Vin,電容器的端子之間電壓為Vout,如此一來Vout 就變成下列指數關係: Vout = Vin(1-e-t/RC),t 與RC 的積成比例,因此RC 稱為「時定數」,假設:Vout=0.63×Vin,t≒RC,換句話說,若將Vout=0.63×Vin 當作臨界(Threshold)時,到達該電壓的時間幾乎與RC 的積相同,因此計算上相當容易。
圖6 是利用上述特性構成的RC 振盪電路,包括滯後(Hysteresis)振盪電路及弛張振盪電路;不過這類設計方式RC 的積--亦即時定數,會變成一個問題。其主要理由是,與手指之間的容量很小,時定數大到某種程度時必須增加R,其結果造成觸控部位的阻抗(Impedance)增加,容易受噪訊影響(圖7)。
圖6 RC 振盪電路的基本結構
圖7 利用RC 時定數檢測方式易受噪訊影響
4.2 充電轉換
這種方式兼具降低觸控部位的阻抗,以免受到噪訊影響,還可同時感測容量變化的方式。典型例子為Quantum 開發的充電轉換(Charge Transfer)方式。如圖8 所示,充電轉換方式是由設定切換器(Reset Switch)與電荷儲存用電容器構成。
圖8充電轉換方式的基本結構
圖9 則是充電轉換器方式的動作特性,首先連接VDD 與端子,接著轉換切換器,儲存在CP 的電荷會移動到Csum,轉換切換器時Csum 的電壓會上升,上升的幅度則由CP 與Csum的容量比決定,此時只要量測超過一定電壓(Vin)的時間,就知道CP 的變化。量測結束後利用再設定切換器使CP 放電回到初期狀態。
CP 充電階段端子與電源連接,因此阻抗維持低強度狀態,此時CP 端子部位的阻抗可能變高,不過CP 的容量比Csum 大,而且電荷的轉送瞬間就結束,容易受噪訊影響的端子部位,呈電氣性連接的時間非常短就結束,因此可以使影響抑制在最小範圍。充電轉換器方式的外置元件非常少,一般認為充電轉換方式可算是優秀的觸控元件。儘管技術突出,但因上述充電轉換器方式擁有專利,因此不願付費的廠商,在研發具備觸控感測功能的IC 商品時,勢必回避專利。