一旦人機界面（MMI）中需要開關或按鈕，系統設計工程師就不得不面對究竟該選擇何種技術來完成這一任務的困擾。在許多應用中，尤其是價格敏感的消費性產品，平板（或準平板）開關以及小鍵盤/鍵盤已經取代了傳統的機械開關。所採用的技術包括阻性薄膜開關面板、壓電開關面板以及基於電容感測的觸控式面板。本文將對這些技術方案的典型構造和優缺點進行簡要的介紹，然後將對最近出現的新興電荷轉移感測技術進行分析。該技術能夠解決許多其他技術固有的問題，且其成本對量產的消費性應用也頗具吸引力。

薄膜開關

最簡單的，也是最廉價的阻性薄膜開關由一個柔性的頂層、一個絕緣隔離片和位於其下的基板層所構成。頂層的外表面通常印有圖形或文字，其下表面則敷導電的圖案，通常由銀或碳質導電油墨印製。其下面的基板層也敷有與之相匹配的導電圖案。當通過隔離片上的孔洞將兩個導電層按壓在一起，就相當於接通了開關。整個組件用膠粘合，當用戶需要觸覺的反饋時，可以在組件後面放一個金屬或塑膠的穹頂構件，以在按壓開關時產生「喀嗒」的感覺，而且還可以在組件的表面壓上花紋來引導用戶的指尖到各個按鈕或開關的中心位置。在價格比機械式開關低廉的同時，可以嚴格地密封，而且其表面印製的圖形有多種變化。薄膜開關也具有很多缺點。首先，要使其有效接觸需要施加比較大的物理作用力。對於一個簡單的平板式薄膜開關，其力道大小通常在0.5N（牛頓）到3N之間，而對於觸感型則應當在1.5N到5N之間。此外，還需要一定的物理移動距離以使開關接觸到一起，對於平板式小鍵盤，此距離為0.1至0.5mm，而對於觸感型則為0.5到1.2mm。這兩個因素結合就對薄膜開關上部所選用的覆蓋物的剛度和厚度有著比較嚴格的限制。同時，還對鍵盤的操作速度以及用戶使用的輕鬆程度帶來限制。還有就是由於機械運動帶來的磨損，按鍵觸感會隨時間的流逝而逐漸降低。這就導致對於不同按鍵需要不同的力度和角度才能保證其可靠地接觸。

壓電開關

與阻性薄膜開關相比壓電開關具備一些優勢。壓電效應是一些特定的晶矽材料所具備的特性，包括天然的石英晶體、酒石酸鉀晶體、電氣石以及如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT）之類的人造陶瓷材料。在這些材料上施加機械壓力時，其晶格結構會產生和壓力成正比的電壓和電荷。（反之，如果在其上施加一定的電場，晶格結構的變形會導致材料尺寸的改變。）

這種開關只需要幾乎可以忽略的物理移動，通常在1μm 到10μm之間就能產生可用的開關電壓或電荷。事實上，是簡單的施加外力而不是物理移動產生了開關元件的輸出。這種開關元件使用的是一個壓電晶片。其表層，也就是使用者所看到的部分，可以印刷、蓋制或壓出所需要的資訊。壓電晶片插入到一個沖壓而成的絕緣層（套）中，這個絕緣層又被夾到組成開關觸點的兩層導電薄片之間。最後，由一個承載盤支撐著整個組件，如(圖一)所示。

《圖一　壓電開關結構示意圖》

高速控制鍵盤工作時需要施加的力小於1N。工業開關則需要施加3N到5N的力。壓電鍵盤所使用的晶片的厚度通常約為200微米，當施加以1N的力時其輸出則為1VDC左右。在最近的幾年裏，壓電油墨已經在部分設計中取代了壓電晶片的位置，主要是為了降低組裝成本，但相對的代價是必須施加更大的力才能產生足以檢測出開關動作的電壓。當施加的壓力增加時，壓電單元的輸出電壓與之對應呈線性增加的趨勢。具體的輸出電壓數值取決於環境溫度、作用力和速度，還涉及到覆蓋材料的厚度以及種類。這麼多的變數，就需要複雜的電子系統來處理需要開關正常工作運行的環境條件，和物理操作的大範圍變化帶來的影響。這種複雜的結構導致與其他鍵盤技術相比其成本昂貴，但當基於美學或安全考量必須使用金屬覆蓋層時，壓電開關的優勢是顯而易見的。

電容性感測器

電容性按鈕和開關分為兩個基本類型：需要機械按鍵來觸發的類型，如(圖二)所示，和只需要接近或觸摸的類型。按鍵觸發型的結構相對比較複雜，包含了機械運動部件，但如何使其機械結構更加堅固是目前面臨的挑戰。盡管如此，它還是在PC機鍵盤上得到了廣泛的應用。其上半片由印製有作為上部電極導電薄膜的塑膠膜片構成，下半片是一片帶有作為電容單元下部電極的導電線路的印刷電路板。

《圖二　電容性按鈕和開關架構示意圖》

觸摸或接近型鍵盤省略了機械運動部件，替代的是利用操作者的手指影響在電極或電容上的電荷電平。其感測電極可以放置到任何絕緣層（通常為玻璃或塑膠材料）的後面，而且很容易製成與周圍環境相密封的鍵盤。但是，採用此項頗具吸引力的技術也會因其一些技術挑戰而引發困擾。

首先就是觸摸感測需要測量或檢測電容上的電荷或電荷電平。表明觸摸已經發生的變化程度必須編程到微控制器中。換句話說，系統必須進行校準。問題是電荷電平的改變可以由許多外界的影響而產生。靜電放電和電磁干擾可以引發誤動作，而且溫度的改變也會影響到校準。濕氣或其他污染物在表面的堆積都會影響其精確性和可重複操作性。最後，還很難製造帶有不同形狀和尺寸按鍵的鍵盤，而這一點卻又常常是電子設備製造商迫切尋求，以美化其產品造形而增加市場競爭力的要素。但通過各種機械或電子的補償方法，克服這些問題後卻又使得傳統的電容感測技術的成本高昂，因而在很多應用上並不適合，尤其是成本敏感的消費性產品。新興的電荷轉移感測技術在克服了上述問題的同時，價格上也對量產消費性產品的公司極具吸引力。

電荷轉移技術的解釋

《圖三　用於矩陣鍵盤的典型應用電路》

電荷轉移感測是基於一個基本的物理定律，即電荷守恆定律的技術，也被稱為開關電容或QT（此處Q指的是電荷，T指的是轉移）技術。QT感測器本質上是一個微控制器，被編程將一個電容未知的感測盤充電到已知的電位。感測盤可以是任何導電物體，從PCB上的焊盤到塗敷在顯示器螢幕之下或上面光學透明的銦錫氧化物（ITO）區域。最後，感測盤上所帶的電荷又被轉移到測量電路中。透過一個或多個充電－轉移循環，就可以測出感測盤的電容。充電－轉移－採集過程透過由微處理器控制的MOSFET開關切換以突發脈衝模式完成。由諸如手指的物體而導致的額外電容會影響電荷的流動，所以被檢測到。

使用智慧訊號處理，決策邏輯就非常可靠。例如，使用了在一次觸摸被儲存之前需要檢測到許多次成功採樣的判決濾波器。這樣能夠消除由於靜電毛刺或不經意地瞬間觸摸或接近引發的誤動作。另一項特性，就是相鄰按鍵抑制（Adjacent Key Suppression；AKS），透過使用重複測量與各按鍵相對應信號的迭代技術，對其進行比較以找出其中變化最大的一個，並以最大的信號變化確定用戶所選擇的按鍵。在接下來的時間裏，只要這一按鍵的信號高於某個額定的數值，AKS就會一直忽略或抑制其他所有按鍵的信號。這樣能防止相鄰按鍵的誤動作，對於諸如掌上型遙控器之類的小型控制面板而言，這一特性尤為重要。

QT感測IC對於單鍵或多鍵、矩陣鍵盤、觸摸式滑動控制條、觸摸式滾輪（如iPod）、觸控式螢幕等應用以及這些應用的組合，都有可用的型號。在多鍵應用中每個按鍵的靈敏度可單獨設定。這一點有助於採用不同的按鍵尺寸和形狀，以適應功能和美學方面的要求。作為一種與其他同類產品區分開來的手段，電子和電氣產品的外形設計愈加重要，尤其對於消費類產品，而QT感測技術就在這方面提供了高度的靈活性。

QT技術也解決了傳統電容性感測器的電磁相容問題。QT感測器採用了擴頻調制和在脈衝突發串之間加入長時間延遲的間疏、隨機充電的方法。單個脈衝只有突發脈沖之間間隔的5％或更少。這種擴頻方法的優點包括：更低的傳感器之間的干擾、降低了射頻發射以及敏感性，還有就是更低的功耗。

電荷感測技術其他優點還包括QT元件已被編程為帶有自動漂移補償機制，以應對由於時間流逝或環境條件改變帶來的信號的緩慢改變。這又克服了傳統電容感測器的一個通病。

與傳統的電容性感測器不同，QT技術的動態範圍有好幾個等級，而且QT感測器無需線圈、振盪器、射頻元件、專用電纜、RC網路或許多離散元件。作為一種工程解決方案，它簡單、可靠、精緻而又價格低廉。(圖三)所示為用於矩陣鍵盤的典型應用電路。正如圖中所示，外接元件的數量非常少。

《圖四　電荷轉移感測技術應用實例》

電荷轉移感測技術應用

電荷轉移感測技術的現有應用和潛在應用每天都在成長，(圖四)展示了幾個例子。這項技術已經在諸如炊具和食品攪拌機等家用電器中得到廣泛應用，同時，在MP3播放器、LCD顯示器以及PC中也有應用。而像行動電話、掌上型遙控器、定位設備以及新型觸控式螢幕等新應用也正在開發之中。（作者為Quantum Research CEO）

延 伸 閱 讀	未來智慧手機的電源管理技術 設計人員需要一種有很強創新自由度的觸控感測技術，而毋須對人機介面的技術性能或易用性作出折衷，價格還能適合於大批量的消費應用。相關介紹請見「 電荷轉移感測式觸控激發創意靈感」一文。 鍵盤根據不同的工作原理可以分為機械式、塑膠薄膜式、導電橡膠式、電容式。機械式鍵盤一般類似金屬接觸式開關的原理使觸點導通或斷開。在實際應用中機械開頭的結構形式很多，最常用的是交叉接觸式。它的優點是結實耐用，缺點是不防水。，敲擊比較費力，打字速度快時容易漏字。你可在「 2002年鍵盤滑鼠組橫向評測－享受輸入的樂趣 」一文中得到進一步的介紹。

市場動態

Quantam 公司的 QTouch 傳感 IC——QT1080 和 QT1101——用於手機、MP3 播放器、PC 外設、遙控以及類似消費型設備。QT1080 IC 在低功率模式時的耗電為 40 微安和 3 伏，而 QT1101 為 60 微安。相關介紹請見「提供電荷傳輸電容性觸摸感測功能的感測 IC」一文。 全新功能讓無線滑鼠與其他週邊配備從睡眠模式中「一觸即醒」並有效延長電池續航力與提升效能，TouchWake功能運用了Cypress的CapSense技術，其電容性觸控感測器介面不需額外搭載任何硬體元件。你可在「 Cypress為WirelessUSB無線電單晶片加入TouchWake功能」一文中得到進一步的介紹。 感測器網路終端為了實現電池的長時間驅動，就必須降低無線收發電路的耗電。新力針對降低耗電，提出了細緻劃分感測器終端元件級別的方法。整個系統由具備調整整個網路時序等功能的高功能終端，以及僅在接收電波時驅動、只進行數據發送的低功能終端等組成。在「 新力試製電容驅動的感測器網路終端」一文為你做了相關的評析。