CTO技术观－Cypress全球技术暨营销部经理Robert Jania

        电容式感测技术(capacitive sensing)逐渐成熟的现今，应用领域日渐有突破，例如手机、笔记本电脑，以及POS系统与其它家电…等设备，已开始采用电容式感测这项先进而时髦的操作接口技术。

        直觉化、简易操作是触控式系统的优势

        选用触控式系统的目的很多，例如公共服务机台可能因使用频繁，让机械按键损耗过快，提高设备维运成本负担。若改采触控式系统，除兼具耐用性，另一方面更降低整体成本。触控式系统另有设计弹性优势，过去传统键盘单键仅有单一功能，但有触控式屏幕，只要换换显示画面，操作功能就可多样化呈现。

       因为可以配合不同的需要改变操作的内容，因此触控式系统即便在有限的空间中，也能发挥多种用途！而这也是触控式屏幕比起机械式按键更具优势的条件之1；此外，它还可以提高使用者经验，操作比机械按键更直觉、简易。

        电容式感测技术应用优势

        从结构上来看，众多的触控式系统技术，包括：电阻胶膜(resistive film)、红外线传感器、或表面声波等，而既然有这么多种不同建置方式，为何要采用电容式感测技术？

        首先，它有较佳的灵敏度；电容式感测技术经由手指触碰驱动，不透过针笔或压力才能进行感测。其次，则是耐用性，触控式解决方案不需可拆式组件，耐久表现远比机械按键开关更具优势。而相较于红外线解决方案容易受到表面脏污而降低效能，电容式感测更能抵抗恶劣环境。电容式感测技术还兼具高弹性化设计优势，能运用在各种覆盖层材质，因此应用不会被局限。

△图说：单一电容式感测按键剖面图。（Cypress提供）

      电容式感测技术设计需求

      从感测按键剖面图可看出，面板下覆盖层材质是由导体铜片、导体传感器组成，2个导体位置接近时就会产生电容值CP，也就是传感器导体片与接地片耦合时所产生的寄生电容(Parasitic Capacitor)，一般约在10pF到300pF之间，而只要在这个电容值范围之内，而传感器与接地片又能在最靠近的放置位置，此时便会产生穿越覆盖层的边际电场(fringe field)，而当具有导体效应的手指移至该边际电场附近，就会增加整个电容系统的导电表面积。

△图说：传感器电容值的变化关系图。（Cypress提供）

      电容式感测设计下的关键

       功耗设计：这须视产品型态不同而定；例如：透过电池作为供电系统的手持式装置所注重的就是耗电量。目前大都是设定快速、慢速与省电3个不同的运作区域，快速反应区传感器于每200us就会被扫描1次；慢速反应区域扫描周期为100ms，当系统因触控面板无动作时，便自行进入省电深眠模式。在携带式手持装置中采省电的慢速反应模式时，系统消耗平均电流可以压低于50 μA以下。

       抗噪声干扰：无论是电源线所产生的导体噪声，或是手机或日光灯产生的辐射性噪声，无所不在的噪声让设计者不得不正视。因此，为了感测技术让达到最佳效率，在设计上必须提升所谓的讯噪比(signal-to-noise ratio)，以减少误判。

       △图说：因应电容式感测技术开发出来的PSoC是由Cypress所开发的解决方案，其功能性不仅具有强大编辑功能，而且可以完全依照设计者的需要进行设计开发。（Cypress提供）

       CapSense解决方案与电容式传感器设计

       要降低设计难度，使用可程序化电容式感测解决方案会更实际，可依照设计需求进行细部微调，CapSense解决方案就是基于PSoC混合讯号数组架构，开发的可程序化解决方案。一般来说，CapSense兼具2种触控感测方法，以利产品在温度变化下还可稳定运行，即便在受潮的环境，系统还能发挥强大效能的CapSense Successive Approximation (CSA)，以及具最佳抗干扰能力的CapSense Sigma-Delta (CSD）。此外，通过结合屏蔽电极(shield electrodes)与防护传感器(guard sensor)，加上电容式感测中的CSD技术，可让设计方案真正达到防水的效果。

       △图说：CapSense组件可以透过厚度5mm的玻璃或者塑料面板准确地进行感测。（Cypress提供）

       具备PSoC混合讯号数组所支持的CapSense组件，让设计人员能在单1芯片中同时建置各种按键、滑杆、触控式屏幕、触控板及近距传感器。此外，CapSense亦具备预先定义韧体开发使用者模块、参考程序代码与校准工具的支持，让电容式感测应用的设计更为迅速、简单、有效，而这当中所包含的韧体开发工具定义有：组件互连、I/O驱动模式以及API。

      创新的电容式感测技术

       设计人员只需在PSoC Designer与PSoC Express开发工具就能完成建置的动作；一般来说，由于参考程序代码提供基础功能的最初样本，而PSoC解决方案中的开放原始码格式，则允许任何设计方案进行最佳化的客制设计。

       由于PSoC组件可配置成1个电容式传感器及温度计或电压监控器，其混合讯号数组包括：数字与模拟资源、闪存与RAM、1组8位微控制器、还有多种其它功能的可配置数组。这些功能让PSoC在CapSense系列产品中能建置各项创新的电容式感测技术，利用PSoC所提供的直觉式开发环境，对组件进行配置与重新配置的设定，就可符合所需的设计规格或规格变更。

       最后，PSoC组件不只有适用在电容式传感器解决方案而已，其中兼具模拟与数字化的资源可运用在各种类型的应用当中，最主要是因为所有PSoC组件都具备基本的数字控制能力，不只可用来设定驱动LED及简单8位PWM控制，同时利用I2C、SPI，或者是透过其它通讯协议进行通讯作业。

       Robert Jania小档案

     •学历：New York University
     •经历：Cypress全球技术暨营销部经理