可让智能手机更加智能的技术方案——电容触控传感技术

智能手机已成为人们日常生活的一部分，其功能已超出了手机范畴。对于很多人而言，它还是重要的科学仪器、数字医生、电子书阅读器、音乐播放器、连接社交媒体以及其它无数应用的工具。随着人们对智能手机的功能的需求越来越高，开发设计人员必须要让智能手机变得更加智能。例如，请设想这样一部手机，它能够学习每个用户的使用习惯并自适应，例如，根据左右手习惯将手机一侧的音量键移至另一侧。或者，能够让用户使用手机背面的触控板单手控制屏幕功能。我们可以利用电容触控传感技术较为轻松地实现这些高级功能。电容传感技术能够通过测量电容检测到包括用户手指在内的导电物体的存在和不存在。该技术同样适合按键、滑条、开关、触控板、触摸屏和近距传感器，从而让设计人员能够提升智能手机的设计水平。本文主要介绍移动设备能够利用电容触控传感技术实现的智能功能。

 

 

目前，触摸屏用户界面通常迫使用户使用双手操作智能手机。电容传感技术能够让设计人员创建一个特殊手势界面，允许用户单手操作手机，并使用拇指控制各种功能。例如，手机侧面的一个简单的四段电容滑块传感器（见图1）能够实现向上滑动、向下滑动、单击、双击、长按等功能。这些功能可与所有智能手机应用配合使用，用于浏览屏幕、上下滚动文档或选择/去选图标。此类单手界面可增加手机操作的便利性和简约性，从而大幅提升用户体验。

 

图1：使用一个四段电容滑块的特殊手势

 

 

手机两侧的电容触控传感器能够检测出用户手握手机的方式和位置。一旦手机能够做到这一点，无数功能都能得到实现。例如，手握检测功能能够根据用户拇指的位置区分用户是左撇子还是右撇子，然后根据左手或右手使用习惯动态调整整个用户界面，包括调整手机的音量键、触摸屏图标等等。

 

出于安全考虑，FCC要求手机厂商遵守射频辐射的比吸收率 (SAR)规定。手握检测功能可根据手机是在用户手中或桌面上调整射频辐射。另一个功能是能够关联手机锁定和手握感应；当用户手握整个手机时，可以锁定手机。图2显示了常见的手握模式。
 

图2：手握举例

 

 

当今的大多数手机利用固定位置处的实体键控制音量。将实体键转变为电容触控键不仅能让手机看起来更加时尚和性感，而且还能实现虚拟音量控制键，该虚拟键可以利用手机边框中的电容传感器动态移动到手机边缘的任意位置。由于电容传感器是简单的薄铜垫，手机将会拥有一个整洁、诱人的外观。图3显示了一个例子。

 

图3：手机边框中的电容传感器可实现音量调节等控制功能的灵活部署

 

 

如图4 所示，通过支持手机背面的手势模式，电容传感技术还能用于单手控制屏幕功能。例如，拍照时用户可以利用电容传感器调节摄像头的焦距。用户可通过轻击传感器从拍照模式轻松切换到视频模式，同时又不失去对焦。

 

图4：手机背面的电容传感器能给让用户快速对焦或切换摄像头模式

 

 

近距传感正成为众多智能手机的一个重要功能。近距传感器的主要目的是避免意外或误触操作，例如，用户接电话时脸部触及屏幕（见图5）。该功能还能提高能效，让手机在用户通话时关闭LCD背景光。

 

与传统的红外传感技术相比，电容近距传感技术拥有众多优势。其主要优势是：电容传感器无需剪切覆面材料，因而能够降低手机的加工成本，提高它们的颜值。

图5：近距人脸检测功能可在用户脸部不慎触及屏幕时避免误触操作

 

 

近距唤醒功能是近距传感技术实现的另一个重要功能。可靠的电容近距传感器能够在用户距离其30厘米时检测出用户靠近。该功能可让用户在黑暗中找到他们的手机，因为当用户靠近时，手机可以点亮显示屏或按键LED灯。近距唤醒功能可在用户靠近时控制背景光LED灯。该功能有助于缩短手机的唤醒时间，提高其响应速度，降低其功耗，提高其颜值。它是手机的一个重要功能，因为它能大大延长电池续航时间。

 

 

比吸收率(SAR)是测量人体暴露在电磁场中时吸收能量的比率。美国联邦通信委员会（FCC）等监管机构要求设备通过降低其靠近人体时的发射功率来限制人体吸收的射频能量。基于电容传感技术的近距传感器可用于检测人体靠近，并在需要时降低射频功率。

 

 

无论是出于天气寒冷的原因或工作需要，当用户戴上手套时，智能手机的触控界面也应能够正常工作。电容传感技术的进步让手机能够检测出戴手套的手所产生的低强度信号，同时忽略来源于悬停在传感器上方的手指的假信号。电容触感技术结合采用传感器硬件和固件算法实现戴手套操作所需的功能和灵敏度。或者，很多大屏手机配有一个手写笔，目的是便于用户浏览，这个手写笔也可用于操作电容按键。这种双重用途对于提高便利性至关重要，可让用户在使用手机时无需在手写笔和手指之间来回切换（见图6）。
 

 

图6：使用手写笔和手指控制配有电容触控按键的智能手机

 

 

高级耐水特性可确保智能手机在潮湿环境下可靠运行。实现耐水性有两种方法：保护电极和防护传感器。使用保护电极可避免电容传感器上的水珠导致误触操作，从而让用户能够正常使用电容控制功能。防护传感器用于应对连续水流情况，它能够阻止所有其它传感器触发（从而避免）误触操作。

 

上述高级功能可提升智能手机用户的体验，而且还为厂商提供了推出差异化产品的机会。为了实现这些功能，开发人员需要一种成熟可靠、具备较高信噪比（SNR）和灵敏度的电容传感技术。此外，他们还需要能够补偿多余的寄生电容。为了加快开发速度，该技术需要配备详细的设计和布局指南文档。

 

例如，赛普拉斯的PSoC片上系统处理器系列采用CapSense，它是世界一流的电容触控传感技术，拥有超过100:1的信噪比、强大的抗干扰能力、保护电极和低功耗运行模式。设计人员可以采用SmartSense Auto-Tuning等量产型固件算法进行持续监测和补偿环境条件。