創意設計加持 電容式觸控按鍵老店新開(二)
2021-01-08 中國觸控螢幕網【導讀】：隨著使用者介面朝更簡潔、更直覺的方向演進，觸控介面簡化人機介面特性，被廣泛應用到各種應用中，未來甚至有機會取代傳統機械按鍵的功能。因此，即便在蘋果(Apple) iPhone與微軟(Microsoft)的Windows 7熱潮帶動下，業界普遍將關注焦點放在觸控螢幕解決方案......
北京時間01月26日消息，中國觸控螢幕網訊， 電容感應板設計分層剖析
本文來自：http://www.51touch.com/touchscreen/news/front/201001/26-5111.html
由於電容感應技術對印刷電路板變動、高頻雜訊和接地布置非常敏感，因此對研發人員來說，如何設計出合格的電路板，一直是主要的技術挑戰之一。在各種常見應用中，又以筆記型電腦的多媒體控制板(Multimedia Bar)的挑戰最為艱鉅，因為其外觀形狀多為狹長形，特別容易受到藕合現象影響。因此，本文選擇以多媒體控制板為例，說明其PCB設計基本原理，讀者可以舉一反三，將這些基本原理應用到其他不同形狀的介面設計工作。
在進行基板設計前，設計人員應先了解以下幾項基板需求定義，如感應控制器數量、是否要採用滑杆或旋輪設計、有多少按鍵須搭配LED等。其他如系統的電源供應電壓、模組外觀設計(尺寸、感應板大小、PCB上的LED光源孔面積等)、表面材質、是否要實作接近偵測功能及有無間歇性雜訊源等，也都會影響整個觸控板的效能表現。
圖5為一個典型的筆記型電腦多媒體控制板設計以及其按鍵配置狀況，圖6則為此一控制板的垂直剖面圖。
圖5:典型的筆記型電腦多媒體控制板外觀設計
圖6:多媒體控制板垂直剖面圖(以4層板為例)
根據雜散電容(Ci)的公式Ci=ε０εr A/d，當層板間的距離(d)變短，則雜散電容增加，使得系統能的雜訊狀況惡化，因此，設計人員應儘可能拉長接地層與感應器層間的距離，以確保感應板處於低雜散電容狀態。
以使用FR4材質，厚度為1.6毫米的PCB為例，其中心層(Core)厚度是1毫米，從浸膠體層(Prepreg)是0.3毫米。若設計人員將接地層部署在中心層，則其雜散電容值將對感應板的效能帶來相當嚴酷的衝擊。最好的配置法應將感應器配置在頂層，而接地層配置在最底層。考量PCB板為四層板，建議作法如如圖7。
圖7:建議四層板布線圖
除了將感應器與接地層做適當的隔離外，感應器走線時亦應儘可能使用最小線寬，以降低雜散電容。電源和接地可以20～30密耳(mil)寬度走線，如此可以幫助電源和接地層降低PCB大小。
而在走線方式上，不建議讓感應器走線出現長距離並行的情況，因為這種作法很容易形成藕合現象，讓感應器受到額外的雜訊幹擾。最理想的走線應採取垂直走線，但考量到多媒體控制板均為狹長形，因此在設計實務上，長距離並行走線往往是無可避免的。若萬不得已必須並行，至少要拉開兩倍走線寬度的距離。
在電路板頂層(圖8)，建議設計人員最好只配置感應器板，感應器板之間的區域可以填以網狀地線，但假如有感應表面層覆蓋，就不要做網狀地線。感應器與網狀地線間，間距須至少保持20密耳以上。
圖8:電路板頂層感應器板設計
在電路板的第二層，應避免放置接地層或電源層，因為這種作法會大大地增加感應器板的雜散電容。所以建議設計人員可能讓此層保持閒置，若因基板空間限制，必須利用這層板面積時，可以放置感應器板的走線，若本層還存在其他非感應器板的走線線路，須注意應以垂直於感應器板走線的方式布線，以減小訊號幹擾或交連(Cross Connect)。
電路板的第三層則是主要感應器板的布線層。位於頂層的感應器板經過垂直穿孔(Via)連接到此層，此連結孔應放在感應器範圍內。
電路板的第四層則是所有訊號連結線的布線層，線路應部署在遠離感應訊號區域，以避免快速的升、降緣訊號影響感應器的感測作業。將訊號線路部署在底層，有兩個合理的理由：首先，在電路板底層有網狀接地線，可協助降低/抑制雜訊。
此外，切換訊號也是影響電容感應的潛在幹擾源之一，宜適當地隔離開來，以降低切換訊號幹擾到感應訊號。
在接地層設計部分，除了應避免接地層造成感應器雜散電容增加外，接地層也會因為增加電場對地藕合，導致感應靈敏度降低。因此，建議設計人員應採用網狀接地層取代一般接地層，因為網狀接地層有較「輕」的電場藕合，並可提供適當的電容感應。網狀接地層的參考設計作法如圖9。接地層的銅箔線寬度可為5密耳，彼此間的間隔則為30密耳。
圖9:網狀接地層參考作法
除了感應PCB板設計外，設計人員也可在感應晶片的參考電容接腳(CREF Pin)添加電容，以濾除雜訊並增加穩定度。此電容如同濾波器般，可改善感應偵測，提升參考阻抗隱定度，電容器的誤差不會衝擊運作模式。
滑杆/旋輪式感應器設計技巧揭密
電容感應技術的一大特性之一，在於可自由地設計按鍵的形狀與大小，讓產品的外觀更有時尚感。但感應器板的厚度和材質，仍會影響感應器的靈敏度。大區域面積的感應器有較佳靈敏度，但設計人員在進行印刷電路板布局時，仍應注意在在感應器板之間，應至少對周邊接地層保留20密耳間距。
有鑑於目前市場特別青睞滑杆與旋輪按鈕的設計風格，筆者以下將探討實作此一設計的架構與注意要點。
雖然在外觀和操作感覺上，滑杆和旋鈕有很大的差別，但從電容感應技術實作的觀點，滑杆和旋鈕其實是同一類型的特殊按鍵，亦即帶有解析度的特殊按鍵。設計人員可以用虛位式(Psedo Position)或比例量測式(Ratiometric)的技巧來實現這類特殊按鈕。
虛位式(圖10)的設計技巧是指，設計人員故意將感應鍵之間的距離拉近，當使用者的手指觸碰時，只有訊號最強的感應鍵被認定為真正的手指位置。假如設計人員設計了n個感應鍵，則最大的位置分辦可以達到n+(n-1)個不同位置。
圖10:虛位式滑杆/旋鈕設計
比例量測式技巧(圖11)則可感應手指在活動區移動時的精確位置。精確的位置可由使用者對滑杆鍵的碰觸所造成的阻抗改變而計算出。因此，設計人員所設計的滑杆區段大小應小到當手指碰觸時，可以有重疊區，對於所感應的表層範圍，儘量控制到足夠大，大到可以有適當的靈敏度。
圖11:比例量測式滑杆和旋鈕
為了能有穩定和精確的偵測，滑杆相鄰的感應鍵應儘可能的遠，以保持各個感應鍵的阻抗各自獨立。
整體來說，滑杆和旋鈕的感應基礎在於阻抗值的變化，因此設計人員須力求外部雜訊幹擾最小化，同時注意將雜散電容保持在低水準，因為雜散電容會降低這類特殊按鈕的效能。
按鍵型態花樣百出 萬變不離基本原則
電容式觸控按鍵已有很長的發展歷史，從早期的家電產品到近期資訊娛樂產品，均為其應用市場。特別是在進入產品生命週期較短的資訊娛樂產品領域後，許多工程人員與產品工業設計團隊的巧思，均讓這項已經有多年歷史的新技術有了不同的應用風貌。
但在這些創意設計背後，確保觸控感應精準度與效能的基本原則並未改變，只要按照本文所指出的基本電容式感應技術原理與設計注意事項進行，相信讀者們均可設計出創意與效能兼具的新一代觸控介面。
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