电容式触摸传感器提升应用设计

    好像在突然之间，电容式传感器就无处不在了。它被安装在汽车座位里以控制气囊配置和安全带预紧装置，在洗碗机和干燥机中以校正旋转桶的状态，甚至冰箱也使用其来控制自动去冰过程。但是直到现在，它zui大的潜在应用领域还是触摸开关，触摸开关已越来越多地出现在消费电子产品中。 
    因为混合信号IC工艺得到广泛的采用，这种技术允许芯片设计师优化芯片的模拟和数字子系统，以构建具有的灵敏度和耐用性的电容式传感器，而且成本是机械式开关所不能比拟的。
如何工作
    电容式传感器基本上可以分成三类：电场传感器、基于弛张振荡器的传感器以及电荷转移（QT）器件。电场传感器通常会产生数百kHz的正弦波，然后将这个信号加在电容一个极板的导电盘上，并检测另外一个导电盘上的信号电平。当用户的手机或另外的导体对象接触到两个盘的时候，接收器上的信号电平将改变。通过解调和滤波极板上的信号，可能获得一个直流电压，这个电压随电容的改变而变化；将这个电压施加在阈值检测器上，即可以产生触摸/无触摸的信号。
    弛张振荡器使用了一个电极盘，其上的电极电容构成了锯齿波振荡器中的可变定时单元。通过将恒定电流馈入到电极线，电极上的电压随时间线性增加。该电压提供给比较器一个输入，而比较器的输出连接到一个与电极电容并行连接的接地开关上。当电极电容充电到一个预先确定的阈值电压时，比较器改变状态，实现开关动作—对定时电容放电，打开开关，这个动作将周期性的重复下去。其结果是，比较器的输出是脉冲串，其频率取决于总的定时电容的值。传感器根据不同的频率改变来报告触摸/无触摸状态。
    QT器件利用了一种称为电荷保持的物理原理。举例来说，开关在一个短时间内施加一个电压到感应电极上对其充电，之后开关断开，第二个开关再将电极上的电荷释放到更大的一个采样电容中。人手指的触摸增大了电极的电容，导致传输到采样电容上的电荷增加，采样电容因此改变，据此就能得出检测结果。
    QT器件在突发模式采样之后即进行数字信号处理，这种方法能提供比竞争方案更高的动态范围和更低的功耗，而自动校准例程可以补偿因为环境条件改变带来的漂移。更重要的是，这种方法足够灵敏，在电流透过厚的面板时不需要一个参考地连接，因此适合电池供电的设备。Quantum（量研公司）的QT芯片就是采用这种方法。
应用实例
    QT芯片出现在一系列具有挑战性的应用中，如微波炉和炉灶面控制。它在这些应用中必须承受很高的湿度、污染挑战。而便携式电子产品也经常面对这种情况，它们所处的环境经常变化，因此QT传感器也非常适合这种应用。QT传感器在干扰下的高电阻对于移动设备来说至关重要，因为它们附近经常有很强的辐射源，如：PC、手机等。
    因为这个原因，QT芯片越来越多地在便携式设备中出现。很多的亚洲OEM厂商都采用了这种技术，包括DEC、JW Digital、松下和Microstar。例如，在JWM-8110闪存播放器中就采用了QT1080，而Microstar在其Mega Player 536 MP3播放器中采用了QT1101。这些芯片可以工作在2.8～5.5V电源电压下，吸收的电流大约为40μA，专门针对移动电子产品进行了优化，采用了5mm×5mm×0.8mm QFN封装，这种封装是空间有限的手机和遥控设备所必需的。QT1080支持8个独立的按键通道，QT1101支持10个通道。两个芯片都包括邻近按键抑制（AKSTM）功能，可以确保芯片正确地识别手指的位置。这个概念很简单，通过比较邻近按键的信号电平来确定zui大值，这样就能确定“真正的”手指位置。设计者可以自行选择是否启用AKS功能。QT1080利用一个硬件状态线连接每个输入通道，而QT1101通过一个串行连接输出。像所有的QT芯片一样，这两种方法都利用扩谱搜索自动校准，使噪声抑制zui大化。
    一般可用多输入通道实现滑动按键或旋转按键，而的QT系列芯片只用三个分辨率为7位（128点）的通道就能实现高分辨率线性滑动或旋转界面。例如QT511（该芯片的主要目标应用也是便携式电子产品）使用三个感应通道来驱动通用电气公司的一位发明家于1978年设计的电极图形，可返回一个128点的结果。
其他可能性
    很多设计师都利用QT芯片来替代电阻式触摸屏。因为该方法只需要将单透明层铺设在屏幕上用于感测，与多层电阻式技术相比，对光线的吸收大大降低。OEM厂家还使用多通道传感器来实现可编程的不透明触摸表面，面板的配置由软件来调配，这能帮助降低材料成本。同样的办法还为用户依据个人喜好配置触摸屏提供了可能，用户可从网络服务器下载规格，或者自己运行一个配置程序。
    这种技术打开了很多应用之门，例如使用了平面位置检测QT器件，终端用户在的数字键盘上移动就可以输入中文或其他复杂字符。但是这种技术的zui大应用是平面坐标触摸屏，在这种应用中，下表面感测薄膜可以替代电阻式屏，而单层薄膜获得高透明度和低成本，不需要在前面板中开孔。 
    如果现有的QT硬件不能满足客户的需求，用户可选用带有可编程MCU内核的芯片。定制应用实例包括Jenn-Air Attrezzi食品搅拌机，QT芯片在这个设备中负责监测用户的输入，并控制功率三端可控硅 target=_blank>双向可控硅开关，通过一个过零同步开关来使EMC问题zui小化。