- QMatrix理論與方案簡(jiǎn)介
- 按鍵矩陣布局和設(shè)計(jì)
- 按鍵材料選擇與設(shè)計(jì)故障診斷
- QMatrix 應(yīng)用技術(shù)說明
- 電場(chǎng)的耦合強(qiáng)度因人手觸摸而衰減
- 通過電極的互電容耦合信號(hào)檢測(cè)出交叉點(diǎn)
相比其它形式的電容感測(cè)，量研科技集團(tuán)(愛特梅爾公司于 2008年收購(gòu)了量研科技集團(tuán)) 所開發(fā)的專利電荷轉(zhuǎn)移 (QT) 感測(cè)技術(shù)更穩(wěn)定，而且它對(duì)電磁干擾，以及極端及突變溫度濕度都具有更強(qiáng)的耐受能力。
QMatrix™ 器件采用簡(jiǎn)單的橫模 (transverse-mode) 電極結(jié)構(gòu)，可為按鍵數(shù)量較多的應(yīng)用提供觸摸控制。QSlide™ 則用于輔助線性滑塊類控制，如調(diào)節(jié)音量和溫度；而 QWheel™ 運(yùn)用一種不同的控制布局，實(shí)現(xiàn)如 iPod 觸摸撥輪 (click-wheel)一類的撥輪式面板。QMatrix 可以利用其 3 個(gè)感測(cè)信道進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)觸摸滑塊或撥輪控制。如今，基于 QMatrix 的控制功能已被集成到量研科技集團(tuán)的許多標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中。此外，定制型款 QMatrix 還提供集成各種串口和附加功能，可用于家用電器、手機(jī)、筆記本電腦，以及許多其它消費(fèi)電子設(shè)備等應(yīng)用。
QMatrix理論
每一感測(cè)電極對(duì)包含一個(gè)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電極和一個(gè)接收電極 (圖1)。驅(qū)動(dòng)發(fā)射電極產(chǎn)生一個(gè)猝發(fā)式邏輯脈沖串，接收電極則通過覆蓋在上面的介質(zhì)前面板來收集由發(fā)射電極輻射出來的大部分電荷。
圖1 ：兩個(gè)電極之間的 QMatrix 場(chǎng)流。觸摸可吸收該電場(chǎng)，導(dǎo)致所收集的電荷減少。
電場(chǎng)的耦合強(qiáng)度會(huì)因人手觸摸而衰減，因?yàn)槿梭w將會(huì)以電弧的方式導(dǎo)開通過前面板的一部分場(chǎng)線，而所吸收的部分再通過各種電容通道被人體重新輻射回去。[page]
圖2：Qmatrix 雙斜率電路
通過電極結(jié)構(gòu)的互電容耦合信號(hào)，會(huì)被收集到一個(gè)與驅(qū)動(dòng)脈沖同步開關(guān)的采樣電容上 (圖2)。該技術(shù)還利用了一個(gè)脈沖串來提高信噪比。每個(gè)脈沖串中的脈沖數(shù)量還影響到電路的增益，因?yàn)槊}沖數(shù)越多，收集的電荷將越多，因而收集的信號(hào)越強(qiáng)。通過調(diào)整脈沖串的長(zhǎng)度，可以輕易改變電路的增益，使之能配合于不同按鍵尺寸，面板材料和面板厚度。
脈沖串產(chǎn)生第一個(gè)斜率，那就是施加到采樣電容上的一個(gè)階梯電壓，便會(huì)經(jīng)過電極電荷交叉耦合進(jìn)行充電。脈沖串結(jié)束后，斜率電阻被置為高電平，對(duì)采樣電容進(jìn)行放電，直到將電荷放完而出現(xiàn)零交叉點(diǎn)為止，而達(dá)到零交叉點(diǎn)所需的斜率時(shí)間長(zhǎng)短就作為觸摸信號(hào)。該電路的雙斜率特性使得電路在很寬的工作溫度范圍內(nèi)維持極高穩(wěn)定性。
脈沖串過后，通過將斜率轉(zhuǎn)換電阻置于高電平，對(duì)采樣電容上的電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并檢測(cè)出零交叉點(diǎn)，從而得到X-Y 電極電荷耦合成正比的定時(shí)器數(shù)值，該數(shù)值同時(shí)反映了手指觸摸所引起的電荷吸收。由于手指觸摸吸收電荷，因此被測(cè)信號(hào)隨著觸摸而減小。在脈沖串階段引起采樣電容上的電荷形成負(fù)向的斜率，而斜率轉(zhuǎn)換則引起電容器的正向斜率，其實(shí)際結(jié)果是轉(zhuǎn)換過程成為“雙斜率”，而且基本不依賴于采樣電容值，在時(shí)間和溫度范圍內(nèi)也非常穩(wěn)定。
矩陣方案提供了潮濕抑制特性，這是其它電容性解決方案所缺的。首先，局部水膜 (如凝露、薄霧或水珠)只會(huì)引起耦合信號(hào)的略微增加。由于觸摸致使信號(hào)減小，而由潮濕所引起的對(duì)信號(hào)耦合的影響則剛好相反，因此不會(huì)造成錯(cuò)誤檢測(cè)。其次，對(duì)于可能引走電荷的大片潮濕水膜，則可利用一個(gè)窄小的 “門控”時(shí)間，將電荷捕獲限制在緊隨脈沖邊沿的一段短時(shí)間內(nèi)，從而抑制電荷流失。由于水膜可形成一個(gè)依賴于時(shí)間的分布式RC 網(wǎng)絡(luò)，窄門控時(shí)間 (微秒級(jí)或更短) 大大抑制了由水膜引起信號(hào)減小的影響，進(jìn)一步降低錯(cuò)檢的機(jī)會(huì)。因此，QMatrix 電路從本質(zhì)上抑制了水膜的影響，非常適合應(yīng)用于潮濕的環(huán)境。
由于電極始終連接在一個(gè)低阻電路上，并且其電場(chǎng)是封閉和自屏蔽的，因此外部干擾對(duì)感應(yīng)按鍵的影響不大。此外，所有 QMatrix 器件都采用展頻 (spread-spectrum) 技術(shù)，有效抑制外部輻射和外部電場(chǎng)干擾，并多次通過了場(chǎng)強(qiáng)大于20V/m 的易受度例行測(cè)試。[page]
矩陣布局和設(shè)計(jì)
利用多條 X 驅(qū)動(dòng)和 Y 接收線并將按鍵電極設(shè)置到交叉點(diǎn)上構(gòu)成的多鍵矩陣，鍵盤按鍵會(huì)如機(jī)電鍵盤般按時(shí)順序掃描。QMatrix 電極可以感測(cè)任何介電材料，如厚度高達(dá) 50mm 的玻璃或塑料，取決于電極的大小和脈沖串長(zhǎng)度 (增益) 的設(shè)置。
按鍵的布置完全隨意，可以設(shè)置到面板的任意地方，并不一定要設(shè)置成本文所示的矩形陣列。由于按鍵信號(hào)不會(huì)交叉干擾，故即使是彼此相鄰放置也沒有問題。
電極也不受相鄰的接地金屬的影響，甚至可以將電極放置到距離機(jī)殼或接地面1 毫米以內(nèi)的位置。
X 和 Y 線都絕對(duì)不受接地面和相鄰導(dǎo)體的影響，不過，Y 線周邊過多的接地線會(huì)吸收一些收集電荷，從而降低增益，故 Y 線的電容性負(fù)載須有一些實(shí)際限制。鍵盤尺寸、形狀和布局幾乎都是完全任意的，不同尺寸和形狀的按鍵在一個(gè)鍵盤面板上可以混用，并可以按表面區(qū)域 20:1 的系數(shù)改變。每個(gè)按鍵可以通過串口的指令進(jìn)行靈敏度的單獨(dú)設(shè)置。有關(guān)電極設(shè)計(jì)在量研科技集團(tuán)的應(yīng)用手冊(cè) AN-KD01 中有更詳細(xì)的討論。
材料選擇
電極被定義為 2 部分交織的電極，可以使用任何導(dǎo)體，如 PCB 銅線或銀線以及碳墨。電極是最普遍的傳統(tǒng) PCB 或FPCB，可以膠粘到控制面板的后面。由于信號(hào)足夠強(qiáng)并很可靠，故芯片、電路和電極都可以放置到 PCB 遠(yuǎn)離觸摸表面的同一側(cè)上，所以可以采用非常便宜的單面沖壓型 CEM-1 PCB，其價(jià)格通常比 FR-4 型便宜一半。
圖4：QT6 系列 QMatrix 設(shè)計(jì)示例。設(shè)計(jì)采用廉價(jià)的單面 CEM-1 PCB 材料，感測(cè)電場(chǎng)背對(duì)穿過 PCB 、膠層和前面板，其信號(hào)強(qiáng)度集中在前面板方向上，使用0 歐姆的跳線器作為交叉。[page]
如圖 4 所示，可以使用成本極低的 0 歐姆跳線器來實(shí)現(xiàn)交叉，再采用工業(yè)用膠貼將 PCB 粘接到前面板的背面。另一種節(jié)約成本的方法是采用具有沖孔并在兩面都有銀網(wǎng)的 PET 薄膜來制作矩陣電極層。薄膜上有一接線，以便將薄膜插入到具有 QMatrix 芯片和電路的控制器 PCB 中 (圖5)。
圖5： 利用 PET 薄膜上的銀線來實(shí)現(xiàn)的 QMatrix 鍵盤，這個(gè) 64 鍵布局只需要 16 個(gè)互聯(lián) (8X + 8Y線)。
齊全的內(nèi)部信號(hào)處理
QMatrix 芯片含有所有的信號(hào)濾波，防反跳邏輯，以及自動(dòng)漂移補(bǔ)償電路，以令芯片能達(dá)致幾十年可靠工作壽命。器件中有許多包括失效模式和影響分析 (Failure Modes and Effects Analysis, FMEA) 自檢子程序，報(bào)告任何類型的電路故障，例如用于故障安全 (fail-safe) 操作引起的的短路和開路，從而使得這些器件特別適合于廚房和汽車應(yīng)用。
設(shè)計(jì)故障診斷
QMatrix 器件還有一個(gè)獨(dú)一無二的特性，即能夠?qū)崟r(shí)地將實(shí)際的鍵盤信號(hào)和診斷信號(hào)通過 USB 接口發(fā)送到任意一臺(tái)電腦上，然后使用 QmBtn 軟件進(jìn)行觀察分析。QmBtn 軟件可以從量研科技集團(tuán)的網(wǎng)站上免費(fèi)下載，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崟r(shí)觀察按鍵信號(hào)的能力，增添了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的信心。
發(fā)光和背光按鍵始終都是設(shè)計(jì)人員興趣所在。只需在 PCB 上開個(gè)口，并將驅(qū)動(dòng)/接收電極環(huán)繞表面貼裝的 LED 及其焊盤和連線，即可把多個(gè) LED 放置到QMatrix 鍵盤的中央。這種設(shè)計(jì)甚至可在單面 PCB 上實(shí)現(xiàn)。如在 PET 薄膜這類的清晰透明基片上印刷，則可采用來自 Agfa N.V 的 Orgacon™ 以及可印刷的 ITO 材料來實(shí)現(xiàn)清晰的背光分離按鍵。再用透明的薄粘貼膠膜，將 PET 薄膜粘合到前面板的背面，這樣置于這一層后面帶有LED 的 PCB 便能產(chǎn)生所需的背光。采用光導(dǎo)和散光罩可以實(shí)現(xiàn)更好的背旋旋旋旋光性能。
圖6：QMatrix 按鍵和觸摸屏的一體式設(shè)計(jì)，利用一片 QT6 單芯片同時(shí)驅(qū)動(dòng) PCB 電極以及 ITO 薄膜上的鍵盤。
利用特制型款的 QMatrix 器件，還可驅(qū)動(dòng)由 PET 薄膜上的 1 或 2 層銦錫氧化物 (Indium Tin Oxide, ITO) 制成的透明電容式觸控屏幕 (見圖6)。利用一片 QMatrix 芯片可以兼容驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的鍵盤和觸摸屏兩種鍵盤，從而可以實(shí)現(xiàn)與整個(gè)前面板主處理器的無縫接口。將 ITO 膜連接到掃描矩陣，就可在 LCD 顯示器實(shí)現(xiàn)許多分離按鍵。Whirlpool Velos™ 微波爐在一層固態(tài)的、完整的玻璃后面采用了這一方法，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的設(shè)計(jì)。用這種方式實(shí)現(xiàn)的觸摸屏不可能損壞，并具有比阻性屏更高的透明度。[page]
由于電極間的電場(chǎng)的封閉特性，這類器件不大適用于接近式感測(cè)設(shè)計(jì)，除非采用間隔距離較遠(yuǎn)的大電極，使場(chǎng)線能夠輻射到面板前方的自由空間。QTouch 器件往往可以更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的接近式感測(cè)，因?yàn)槠鋱?chǎng)線能夠更好地輻射到自由空間。另一方面，與 QTouch 技術(shù)不一樣，QMatrix 電極更能容忍與接地面以及附近其他印制導(dǎo)線之間的雜散電容的存在。
器件技術(shù)說明
Quantum QT6xxxx 系列的器件都是 QMatrix IC，用的幾乎都是同一器件，即 QT60645，使用雙斜率捕獲方法可以實(shí)現(xiàn)的鍵盤數(shù)量從 16 到 64。器件編號(hào)中間的 3 位代表器件的鍵盤數(shù)量，而末位數(shù)字則代表變更碼。QT60160 和 QT60240 是專門為低成本應(yīng)用設(shè)計(jì)的，不過沒有安全自檢 (FMEA) 功能，所以非常適用于像MP3 和手機(jī)這類便攜式應(yīng)用，以及像洗衣機(jī)這類的非廚房類應(yīng)用。這兩種器件都采用 I2C 接口，而非其他絕大多數(shù)的 Q 系列中使用的 SPI 接口。
所有 QMatrix 器件都采用 AKS™ (Adjacent Key Suppression™) 專利技術(shù)。該技術(shù)允許將所有按鍵都密集地布置到鍵盤上，并對(duì)來自同時(shí)被觸摸的各鍵的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度分析，從而解決了由于手指觸摸在多按鍵交疊位置時(shí)引發(fā)的模糊觸摸問題。該技術(shù)還可以支持便攜式設(shè)備 (例如手機(jī)) 的“頭部和口袋誤觸摸檢測(cè)”，避免在設(shè)備使用時(shí)碰觸頭部；或者在口袋里引發(fā)誤觸摸。實(shí)現(xiàn)的方法是在鍵盤附近策略地安置了“保護(hù)鍵”，當(dāng)保護(hù)鍵被觸發(fā)后，可以鎖住任何一個(gè)鍵或者所有鍵，以防止誤觸摸。此外，AKS 技術(shù)還可以用來防止水膜在面板表面的影響。
超過一半的 QMatrix 器件都可以定制，來滿足特定的應(yīng)用。定制過程很簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@些芯片都內(nèi)含帶有閃存的微控制器。在量研科技的零件表中，從“QT6C”開始往后的都是定制器件，這些在量研公司的網(wǎng)站上沒有詳細(xì)介紹。
QMatrix 應(yīng)用
圖7：Whirlpool Velos 微波爐采用單芯片 QMatrix 來驅(qū)動(dòng) 21 個(gè)傳統(tǒng)的觸摸按鍵，以及構(gòu)成 LCD 觸摸屏的 10 個(gè)透明式 ITO 薄膜式按鍵。該設(shè)計(jì)采用了單層 CEM-1 PCB，成本很低。
自從1999 年研發(fā)出來后，QMatrix 器件的主要應(yīng)用集中在廚房領(lǐng)域，主要的客戶包括惠而浦、美諾 (Miele) 和伊萊克斯 (Electrolux)。產(chǎn)品主要是按鍵數(shù)量較多的器件，例如 QT60326 或其他定制器件。自 Whirlpool Velos Speedcook 微波爐 (見圖7) 采用 QT6 系列的器件后，業(yè)界對(duì)觸摸屏的興趣大增。從此，大量采用該技術(shù)的觸摸屏設(shè)計(jì)開始進(jìn)入市場(chǎng)。
QMatrix 器件已經(jīng)用于手機(jī)和其他便攜式應(yīng)用設(shè)計(jì)中，其之所以成功，在于它相對(duì)于其他老式方案具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并能減小封裝尺寸，而且能夠?qū)崿F(xiàn)較多的按鍵數(shù)量。此外，該技術(shù)還贏得了汽車領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)，因它在極為惡劣的環(huán)境條件下仍具有工業(yè)級(jí)的穩(wěn)健性。
圖8 ：量研科技銷售 QMatrix 演示版如 E6240，為用戶提供該技術(shù)的評(píng)測(cè)手段。該評(píng)測(cè)板可以支持各種按鍵尺寸和布局，演示 QT6 系列器件的強(qiáng)大功能。QMatrix 演示版還可配合 QmBtn 軟件使用，以進(jìn)行按鍵實(shí)時(shí)信號(hào)的全景視象化觀測(cè)。
由這種技術(shù)衍生的產(chǎn)品已用于實(shí)現(xiàn)線性滑塊、撥輪及 X-Y 觸控板。
QMatrix器件采用一個(gè)掃描式的橫向電極無源矩陣，實(shí)現(xiàn)了使用單芯片驅(qū)動(dòng)的大量觸摸按鍵。這種構(gòu)造可提高感測(cè)芯片的引腳利用效率，較之于每個(gè)按鍵都需要一個(gè)感測(cè)連接 (如 Qtouch™ 及許多同類器件)，芯片和按鍵矩陣之間所需的連接數(shù)量較少。QMatrix 器件所需的部件最少，最大限度地降低了單個(gè)按鍵的成本。在量產(chǎn)時(shí)，此器件可以令芯片成本降至每按鍵 0.05 美元。此外，這種構(gòu)造本身就具有抵抗環(huán)境變化、水膜影響以及無線電干擾的特性。
QMatrix 電路具有極高的信噪比，極強(qiáng)的水膜抗擾性，極高的溫度穩(wěn)定性，優(yōu)異的低功率特性，易于布線，在給定的按鍵數(shù)量下 IC 封裝小?；谶@些原因，QMatrix 電路特別適用于汽車電子、廚房電器，乃至按鍵數(shù)量較少的各種應(yīng)用如手機(jī)。
QMatrix 技術(shù)備有美國(guó)專利第 6,452,514 號(hào)及相應(yīng)的外國(guó)專利保護(hù)，而且只能從量研科技或授權(quán)廠商處獲取。QMatrix 是英國(guó)QRG Ltd的注冊(cè)商標(biāo)。
