【觸控技術系列(一)】
近來在可攜式媒體播放器、筆記型電腦、手機市場中陸續出現的各項電容式感測技術之應用，讓人幾乎忘了這類介面技術早已廣泛應用於家電用品的設計中。感測演算法與控制電路兩方面的重大進展，讓這項技術適用於更多應用領域，電容式感測技術的價值在於不僅可取代機械式按鍵與膜片開關，並可適用於各項新穎的應用，如觸控式螢幕與近距感測器等。
感測電容方式多選擇
電容式感測器是由導體片、接地面與控制器構成，在多數的應用中，導體片會用一片銅製電路板，而接地則用灌注填充，兩者間存在原生電容(CP)，當其他如手指等導電物體接近感測器時，隨著該物體的電容值(CF)增加，系統的電容值也隨之增加(圖1)。
要偵測由CF造成電容值增加的方法有好幾種，包括場域效應(Field Effect)、電荷轉移(Charge Transfer)、弛張振盪器(Relaxation Oscillator)及連續近似法(Successive Approximation)等，其中場域效應量測方法中，在感測電容器與系統參考電容器間使用交流電分壓器，藉監測電流在分壓器上的改變可感測到手指觸碰時所產生的電容值變化。電荷轉移則使用切換式電容器電路及參考匯流排電容值，重覆進行從較小的感測器電容器至較大匯流排電容器之間的電荷轉移步驟，匯流排電容器上的電壓值與感測器電容值之間存在比例關係，因此在固定次數的步驟後量測電壓值，或藉計算達到某一電壓臨界值所需的步驟次數，來決定該電容值。另外，弛張振盪器則是用量測充電時間的方法，其中充電速率通常由固定電流源的值和感測器電容值決定，較大的感測器電容器需要較長的充電時間，這部分通常能運用脈衝寬度調變器(PWM)與計時器來進行量測。至於連續近似法也是量測電容充電時間的方法，不同的是當中的起始電壓是由連續近似法決定。
以賽普拉斯(Cypress)申請專利之可程序化系統單晶片(PSoC)元件執行的連續近似法，採用一組電容對電壓的轉換器及單斜率類比數位轉換器 (ADC)，其電容值量測方式為先藉由將電容值轉換至電壓值，接著將該電壓值儲存於電容器內後，再利用可調式電流源量測所儲存之電壓值。其中電容值對電壓值轉換器乃利用切換式電容器技術，此電路系統讓感測器電容器可依其電容值反映對應的電壓值，切換式電容器所用的時脈則是由PSoC內部的振盪器產生。
感測器電容器連接到類比多工匯流排上，並利用同樣連接匯流排的可編程電流輸出數位類比轉換器(iDAC)進行充電。每個匯流排上充電電量為q=CV，當 SW2為開路且SW1為閉路時，跨CX兩端的電位必為零，且會減低匯流排上的電量，減低的值與感測器的電容值亦成比例，這種充放電的動作會一直重覆，此時感測器電容器也會成為匯流排上的電流負載(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決定匯流排上恆定電壓值的多少，該電壓值會影響切換式電容器的切換頻率、感測器電容值，以及 iDAC的電流值，其實匯流排也等同於一個旁路電容器(Bypass Capacitor)，可穩定最終電壓，在匯流排上也可增加額外的電容器，以調整電路的行為與時序。
計算所得的iDAC值接著再度用來對匯流排充電，並測量匯流排從初始電壓到比較器的臨界電壓所需的充電時間，初始電壓在沒有手指觸碰的情形下，因此充電時間可事先測定，當手指觸碰感測器時會增加CX的值，並且降低初始電壓，因此會延長充電時間量測，計算公式如下所示：
依應用需求建構感測器
電容感測器有多種型態與功能，可採用各式各樣的媒介，實作樣式從簡單到複雜都有，而決定感測器建構與建置細節為應用本身的需求。最常見的感測器樣式要屬按鍵與滑桿，按鍵其實即連接至控制器的大型導體片，其中所測得的電容值會與一連串的臨界值比較，而測定結果也能藉由數位輸出獲得，或用其他類比特性進一步感測觸動的壓力或手指面積；至於滑桿則是許多導體片以直線或放射狀排列所構成。利用計算質心的演算法就可測定接觸的位置，且解析度遠大於感測所用的接腳數，如按鍵或滑桿這類簡單的電容感測器，絕大多數會採用銅片沉積至印刷電路板，然而也能使用其他基板材質與沈積媒介物製作電路，如高導電性的銀墨 (Silver Ink)(圖3)。
動態使用者介面的按鍵或觸控區則可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，可創造較佳使用者經驗，而建構這類系統比一般簡單的按鍵或滑桿更複雜；投射式電容觸控螢幕在顯示器上多加了透明導電物質，這層導電表面利用沈積方式附著於玻璃或PET薄膜這類基板上，並連接至控制電路，接著再將此基板黏著於觸控表層與顯示器間；觸發區域測定方式與滑桿相同，縱向與橫向的兩組滑桿相互交錯以覆蓋整個顯示區域，而且這兩個方向的滑桿會偵測觸動位置並輸出x軸與y軸資料。上述兩種方式中，由於投射式電容觸控螢幕上方還有一個覆蓋層，因此也可保護螢幕不受直接衝擊、彎曲、環境因素等常見於傳統電阻式觸控螢幕的傷害。
近距感測器基本上就是很大的按鍵，其目的並不在偵測導電物體的確切位置，而是物體是否在附近，由於不須知道物體確切位置，因此反應時間可以稍慢，如3～4 毫秒。近距感測器的靈敏度高很多，設計得當甚至可達30公分的距離，也由於近距感測器毋須結合任何顯示圖形，因此在裝置中的擺放位置就有更多彈性，無論是控制電路板外的銅線圈，或是覆蓋層後方的導線，都可建置非常基本且具成本效益的近距感測器(圖4)。
家電用品廣泛使用電容感測器
電容感測器的用途日益廣泛，上述感測器的彈性、耐用、簡潔特性已為設計人員創造新的機會，基本的選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容設計具備類比特性的按鍵，即可建置更多簡單、具成本效益、可靠又安全的功能。
樂金(LG)空氣清靜機在面板顯示器選單瀏覽的按鍵中使用5個電容感測器，這些按鍵讓設計人員可設計出平順的機身，同時也具備使用者介面，電容式按鍵透過 4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感測器的一面，並採用PSoC混合訊號陣列控制感測器，且將狀態輸出至主要的裝置處理器上(圖5)。
近距感測器具備反應式背光功能，主要為夜間操作或安全因素考量，這些情形多半需要更大的觸發元件，如成人的手或金屬罐子，才有辦法達到可控制的範圍。近距感測器、按鍵、滑桿、甚至是觸控螢幕，都可利用PSoC的單一處理器進行控制，而韌體常式則可依使用者輸入或主機命令進行狀態的更改。
PSoC電容感測應用可減少功耗
PSoC混合訊號陣列內含一個可組態的數位與類比資源、快閃記憶體、隨機存取記憶體(RAM)、8位元微控制器與其他多種功能陣列。這些特色讓PSoC實現創新的電容感測技術，運用PSoC的直覺式開發環境即可為裝置進行組態與重新組態，以符合設計規格或任何規格變更，新感測技術的出現可提升感測靈敏度與抗雜訊能力，並且減少功耗、增加升級速率，使設計人員創造更佳的應用產品。
