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利用电荷转移传感技术实现电子产品的创新性设计 |
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newmaker |
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过去几年，人们尝试了利用容性传感技术，但发现还不具有合理的成本、可靠性和性能。设计师需要的触摸传感技术是允许巨大的创造自由度，同时不牺牲技术性能和人机接口上的使用方便性，还要有适合于大批量消费品应用的价格。基于电荷转移技术的芯片可以满足上述需求，具有成本低特点，适合构成触摸键盘的可靠面板、开关矩阵、滑动键、控制轮，甚至触摸屏等。
电荷转移传感
“QT”或电荷转移传感基于基本的物理学原理，特别是电荷转移原理。“Q”是电荷的标准代表符号，因此“QT”代表电荷转移。该技术由位于英国的Quantum Research公司开发并申请了专利。QT传感器采用电子开关，将一个未知电容的感应板充电到已知电位，然后转移电荷到测量电路。一个或多个充电-转移周期后，通过测量电荷即可确定感应板上的电容。该过程工作在突发模式，采用微处理器控制的MOSFET晶体管开关，故当物体接近或触碰传感表面而发生改变时，能够精确而可靠地测量电容的微小变化。该技术稳定精确，并具有几个数量级的动态范围。其实现电路只需要很少的外部元件，并且无需振荡器、电感器、RC网络或其他的射频元器件。
扩谱调制从根本上消除了电子噪声的影响，同时所产生的辐射可以忽略不计。电路的灵敏度和稳定性得到改善，更容易满足EMC性能，还有复杂度和成本都被减到最低。
对于很多传感技术来说，一个真正的问题是随着产品的老化和环境条件的改变而出现性能飘逸，而这个问题经过QT感应可以自动补偿。本文讨论三个常见应用中的QT传感实现：即触摸键盘，滑动键和滑轮传感器。
触摸键的实现
图1所示的是Jenn-Air公司的Attrezzi搅拌机，其底座上装有一个安装在弯曲机座上的触摸控制面板，该面板就是基于电荷感应技术，为了满足整个产品设计，每个键盘的尺寸和形状都不同。触摸感应技术通过在一个预先确定的采样周期后，只记录一次触摸，完全解决了反弹的问题。为了简化使用，触摸键用蓝色LED显示，在PCB和触摸控制面板内侧之间装有光隔离器。光隔离器的一侧能适应面板的弯曲来贴合设计，而另一侧是平面的以贴合PCB。白色的光隔离器的蜂窝式设计提供刚性结构，将光通向到相应的键，还防止键间的光泄露。
在面板内的关键部位使用了Agfa的Orgacon透明导电聚合物来形成提供背光照明的触摸键。该材料的透光率高于90%，其覆屏处理方法与标准的低成本方法兼容。 
图1：Jenn-Air的Attrezzi食品搅拌机采用了一个环绕设备底座的曲面形触摸控制面板
实际上的面板不支撑任何的电子元器件，QTough IC和相关的电子元件都安装到PCB上。光隔离器将PCB与面板隔离开来，故需要在PCB和每个键相邻的空区之间用直径很细的导电橡胶线将两者连起来，光隔离器上的其它孔将这些橡胶部件固定。
通过改动QTough芯片以控制整个搅拌机，而不仅仅是感应这些按键。除了感应控制外，还感应电机速度、控制LED，用一个控制环路来调制驱动可控硅，从而只利用一片并不贵的控制芯片即可实现对整个搅拌机的控制。
QTough器件采用了消除干扰的扩谱感应技术，以及已经申请专利的防止误触碰或大手指引起的相邻键误动作的相邻键抑制(AKS)技术。在Attrezzi搅拌机中，它还提供了所有的安全管理功能，包括错误键检测和自动关机功能。
按键触摸传感器IC
一款新推出的电荷转移器件是8键传感器IC，用于像手机、MP3、计算机外设、遥控和类似的消费类产品中的低功率传感，可以驱动8个大小不同的触摸键，可以利用任何面板材料，从而简化各种机械设计。可以通过简单地改变外部参考电容来独自调整各键的灵敏度。该芯片还具有快速检测特性，因而可以用一个接触传感电极条来实现一个简单的触摸滑动键。典型的应用电路如图2所示。 
图2：一个8键触摸传感器应用电路
该芯片在上电后自动校准。为了节约电池能量，该芯片在低功率模式下电压为3V，仅消耗40uA的电流，同时能保证在某键被触碰后快速响应。该模式在有人触碰时唤醒设备。通过对一组按键的各信号强度进行比较，芯片能确定哪个键是关键的或者是想要按的键，从而防止多个按键对同一触碰同时响应。为了防止由于外部物体停留在传感面上引起的卡键，在长检测后芯片重新校准。设备有两种输出模式：一种是每键对应一个引脚，另一种是二进制编码方式。该芯片采用很小的无铅 QFN-32封装。
触摸滑动键
一个触摸滑动键IC利用触摸来模拟一个滑动电位器，系统封装设计中的材料选择范围很大。感应非常可靠，即便是带着手套隔着玻璃或塑料覆盖膜也没有影响。滑动键条的形状可以任意选择，并非一定是直线。Quantum Research的QSlide QT411提供7比特的分辨率，并通过一个串行SPI接口将位置数据提供给主控制器。应用范围包括消费产品、医疗产品、工业产品、汽车电子和计算机外设。可以用来控制速度、温度、声音、光以及显示亮度，甚至可以用作机械位置感应。
两个电荷转移传感通道工作在一个线性阻性元件上。利用算法来确定触摸的位置，与信号的强度无关，因而使得检测精确可靠。阻性元件可以用串联的分离电阻器，也可以用厚膜电阻排。和上述的触摸键相对应，电荷转移触摸滑动键采用从睡眠模式唤醒的方式来唤醒设备。另外还有一个靠近模式，即当检测到人手距离面板50mm时就唤醒设备。这样就可以在用户触摸设备之前就可以激活显示或设备。低功率模式的电流小于10uA。
旋转感应按键
和滑动键类似，滑轮芯片可以看作为容性电位器，人的手指用作电刷。设备的电极由一个简单的阻性环构成，该环被放置在任一电极板的背后。三个容性QT通道被连接到该环，信号被处理成7位的绝对值位置，如图3所示。输出经过一个标准的SPI串行接口。该芯片不需要外部有源器件，芯片感应可以穿越3mm厚的面板，当被放置到玻璃或塑料板后，可以实现一个替代机械编码器或电位器的平滑、密封、难以破坏的旋转触摸控制。在面板上无需开孔和旋钮，也没有服务或维护问题，功耗很低，电流消耗可以低至10uA。
图3：用作为触摸传感电极的阻性环旋转按键应用电路
本文小结
基于电荷转移的人机接口灵活、可靠且成本效益高。上面所述的设备所实现的关键创造性在于产品的工业设计，这对许多产品来说事关成败。最重要的是，其成本似乎正是绝大多数人们所期望的，可用于大规模的消费电子应用。
作者：Hal Philipp
Quantum Research集团有限公司 CEO
h.phil@qprox.com (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(12/19/2007) |
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