機(jī)械式開關(guān)是導(dǎo)通及關(guān)閉流過導(dǎo)體之電流的器件，用于各種常見的終端市場應(yīng)用，如消費電子（電視機(jī)、機(jī)頂盒等） 、白家電（洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)、微波爐等）、計算機(jī)外設(shè) （打印機(jī)、傳真機(jī)、顯示器等） 、汽車儀表等。以圖1中的廚房用攪拌機(jī)為例，控制面板上有8個按鍵，每個按鍵下面都配備黃圈所示的機(jī)械式開關(guān)。這些機(jī)械式開關(guān)附著在面板背面，在面板上按下按鍵即可控制機(jī)械式開關(guān)，啟用或關(guān)閉攪拌機(jī)各種功能或調(diào)節(jié)速度等。

　　圖1：在攪拌機(jī)等應(yīng)用中，傳統(tǒng)機(jī)械式簡單直接，但要求的數(shù)量相對較多。

　　對于電子產(chǎn)品設(shè)計人員而言，過去機(jī)械式開關(guān)一直是他們的首選。因為機(jī)械式開關(guān)提供不少應(yīng)用優(yōu)勢，如簡單、直接、成本低、使用方便，能為用戶提供真實的物理反應(yīng)，等等。但同時，機(jī)械式開關(guān)也存在諸多缺點，如磨損問題導(dǎo)致長期耐用性差，設(shè)計靈活性不高，容易受潮濕、水、油污或灰塵的影響，存在系統(tǒng)噪聲、反應(yīng)速度及僅適合低速工作等問題。有鑒于此，設(shè)計人員也在探尋其它的設(shè)計選擇，如觸摸傳感技術(shù)。

　　常見觸摸傳感技術(shù)概覽

　　實際上，觸摸傳感器已經(jīng)被廣泛使用很多年了。但直到近些年來，隨著觸摸技術(shù)在便攜設(shè)備顯示屏應(yīng)用的爆發(fā)性增長，這種技術(shù)越來越受關(guān)注，由此展開的技術(shù)開發(fā)及創(chuàng)新也越來越多。設(shè)計人員不僅爭相利用觸摸傳感技術(shù)來為手機(jī)、平板電腦乃至筆記本電腦用戶提供更加先進(jìn)、智能的用戶接口，也在越來越多地觸摸傳感技術(shù)用于數(shù)碼相框、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)、安防、汽車儀表盤及白家電等眾多應(yīng)用。

　　市場上的觸摸傳感技術(shù)眾多，如模擬電阻式觸摸、表面聲波（SAW）觸摸、紅外觸摸、光學(xué)成像觸摸、色散信號、聲學(xué)脈沖及電容式觸摸等。它們各有其優(yōu)勢和不足。模擬電阻式觸摸屏相對堅固耐用，對各種化學(xué)品、化合物及腐蝕物不敏感，而且防水，還能加壓密封。其不足是其包含的塑料層會擴(kuò)散及衰減光，導(dǎo)致色彩鮮艷度受損，用久還可能發(fā)黃。表面聲波觸摸屏的優(yōu)勢是其面板為全玻璃，光衰減極少，顯示屏的可視性極佳，色彩鮮艷明亮，也不會發(fā)黃，還提升了長期穩(wěn)定性。此外，SAW觸摸屏響應(yīng)速度快，分辨率高，抗劃傷性能好。但也一些不足，如，因為不能像軟表層那樣吸收聲波。此外，表面上有油滴或水滴的時候，這種觸摸屏還會誤操作。紅外觸摸屏在顯示屏上沒有堆疊層，沒有光損耗，亮度高，但其LED發(fā)射器能耗相對較高。其它觸摸屏技術(shù)，如光學(xué)成像、色散信號及聲學(xué)脈沖等各有其優(yōu)勢和不足，在此不一一詳述。

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，電容式觸摸屏已經(jīng)成為手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、GPS、游戲機(jī)及平板電腦等眾多應(yīng)用的選擇。相應(yīng)地，電容式觸摸傳感器開關(guān)已經(jīng)成為機(jī)械式開關(guān)的一種實用且增值型的替代方案。

　　圖2：投射電容式觸摸屏工作原理。

　　電容式觸摸屏包含表面電容式及投射電容式等不同類型。表面電容式觸摸屏使用的是依靠手指或電容式觸控筆產(chǎn)生的電容結(jié)點來導(dǎo)電的特性 。控制器在觸摸屏的四個角施加相同電壓，因而產(chǎn)生小的電磁場。通過測量各個角至電容導(dǎo)電的手指觸點的電流脈沖，控制器就能計算出顯示屏上玻璃表面的觸點位置。投射電容式技術(shù)相對較新，但目前的應(yīng)用極為廣泛。投射電容式觸摸屏依靠的是自電容或互電容原理。以互電容為例，兩組電極交叉的地方會形成電容，手指觸摸電容屏?xí)r會影響觸摸點附近兩個電極之間的耦合，改變兩個電極之間的電容量。根據(jù)觸摸屏二維電容變化量數(shù)據(jù)，可以計算出觸摸點的坐標(biāo)。總的來看，投射電容式觸摸屏的一項關(guān)鍵優(yōu)勢就是能夠根據(jù)軟件設(shè)定的靈敏度來檢測手指或手套觸摸位置，另一項關(guān)鍵優(yōu)勢是支持多點觸摸及復(fù)雜的手勢識別。

　　安森美半導(dǎo)體的電容式觸摸傳感器IC

　　為了配合電容式觸摸屏越來越廣泛的應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體推出了LC717A系列電容式觸摸傳感器方案。這系列器件目前包括 LC717A00AR、LC717A00AJ及LC717A10AR、LC717A10AJ，其規(guī)格及特性如表1所示。

　　表1：LC717A系列電容觸摸傳感器的規(guī)格及特性

　　LC717A系列是單芯片電容投射式觸摸傳感器方案，工作電壓范圍為2.6至5.5 V，電流消耗低于1 mA。這系列器件內(nèi)置乘法器，使用差分電容檢測技術(shù)來檢測距離及觸摸動作，能夠檢測飛法拉級的電容變化。其中，LC717A00AR/AJ包含8個輸入通道（見圖3），而LC717A10AR/AJ則包含16個輸入通道。以LC717A10AR為例，這器件是LC717A系列的首款產(chǎn)品，簡化以電容式觸摸傳感器替代機(jī)械式開關(guān)，用于家電、影音設(shè)備、計算機(jī)外設(shè)及汽車儀表盤等應(yīng)用。LC717A00AR包含8路電容感測輸入及8路數(shù)字輸出，使用專有的差分電容感測技術(shù)，能夠提供高靈敏度及高噪聲抗擾度。內(nèi)置邏輯電路檢測每路輸入的導(dǎo)通/關(guān)閉（ON/OFF）狀態(tài)，并輸出適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，且不需要任何額外元器件或控制軟件。LC17A00AR除了可以作為獨立器件工作，還支持使用外部微控制器（MCU）通過可以配置用于I2C或SPI工作的內(nèi)置串行接口來調(diào)整參數(shù)。

　　圖3：a） LC717A00AR/AJ框圖（左側(cè)）；b） 差分電容檢測技術(shù)提供更高的噪聲抑制能力（右側(cè)）。

　　在白家電等應(yīng)用中使用LC717A系列觸摸傳感器開關(guān)替代機(jī)械式開關(guān)

　　觸摸傳感器開關(guān)不同于機(jī)械式開關(guān)，只須觸摸來執(zhí)行開關(guān)操作，目前常用于許多燈具和壁式開關(guān)、有平坦外表的電冰箱和電飯煲等白家電，以及公用計算機(jī)終端等等。觸摸傳感器開關(guān)使用戶能以滑動或轉(zhuǎn)輪的方式來啟用開關(guān)，提供比機(jī)械式開關(guān)更靈活的設(shè)計及更直觀的用戶接口。LC717A系列觸摸傳感器開關(guān)能夠直接連接至常見MCU并執(zhí)行獨立操作，因此非常易于使用，不像其它帶內(nèi)置MCU的觸摸傳感器要求額外培訓(xùn)及編程時間。

　　機(jī)械式開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)械元件的使用壽命有限。相比而言，觸摸傳感器開關(guān)技術(shù)提供極佳耐久性， 可以省去機(jī)械磨損問題。相比較而言，觸摸傳感器開關(guān)不需按鍵，不單減少磨損問題，還使設(shè)計人員能夠在電氣元件外增加外層材料作為保護(hù)屏障。故觸摸傳感器開關(guān)易于清潔，且顯著減輕開關(guān)受潮濕、水、油或灰塵等的影響。

　　使用機(jī)械式開關(guān)的一項優(yōu)勢是以物理反應(yīng)使用戶感到開關(guān)正導(dǎo)通或關(guān)閉。而使用觸摸傳感器時，用戶僅觸摸屏幕或輸入板來導(dǎo)通開關(guān)，通常不會感到開關(guān)的物理反應(yīng)，因而用戶并不總是知道是否啟用了開關(guān)。由于此項顧慮，設(shè)計人員可能需要為觸摸開關(guān)器件加配特性，如光、聲或另種形式物理反應(yīng)，以顯示開關(guān)已被啟用。這將增強(qiáng)設(shè)計元素及終端應(yīng)用的功能，產(chǎn)生更積極的用戶反應(yīng)。

　　圖4：在廚房攪拌機(jī)等白家電應(yīng)用中，一個觸摸傳感器開關(guān)能替代多個機(jī)械式開關(guān)。

　　像LC717A00AR這樣的觸摸傳感器開關(guān)由于具有高靈敏度，可以置于密封空氣、防塵及防水玻璃護(hù)罩的背面，這在廚房攪拌機(jī)等可能經(jīng)常沾染液體和灰塵的應(yīng)用中尤為有用，還非常適合于洗衣機(jī)、電冰箱等應(yīng)用。在廚房攪拌機(jī)應(yīng)用中，設(shè)計人員能僅以1個觸摸傳感器開關(guān)（如LC717A00AR）來替代8個機(jī)械式開關(guān)，如圖4所示。

　　市場上有些觸摸傳感器方案在厚玻璃層后或在元件之間氣隙太大的情況下難以有效工作。安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新的LC717A系列觸摸傳感器開關(guān)技術(shù)得益于高靈敏度性能，消除設(shè)計人員在氣隙及材料厚度、響應(yīng)速度方面的設(shè)計顧慮，讓設(shè)計人員能夠更快地構(gòu)建及應(yīng)用設(shè)計?；贚C717A00AR構(gòu)建的演示電路板演示，設(shè)計人員可以自如地操作觸摸傳感器開關(guān)功能，即便隔著厚材料、大氣隙，甚至是戴著多層手套，見圖5。

　　圖5：LC717A系列觸摸傳感器提供高靈敏度，即使戴手套也可自如操作

　　由于觸摸傳感器開關(guān)靈敏度高，故許多工程師錯誤地?fù)?dān)心，觸摸開關(guān)可能會因觸摸開關(guān)區(qū)域表面而意外導(dǎo)通，為用戶帶來意料外的偶發(fā)狀況。但安森美半導(dǎo)體的觸摸傳感器方案克服此顧慮，使設(shè)計人員能夠選擇開關(guān)圖案，并改變觸摸響應(yīng)等級，因而為白家電用機(jī)械開關(guān)提供直接的替代方案，同時還優(yōu)化觸摸開關(guān)應(yīng)用具有的優(yōu)勢。

　　成本是設(shè)計人員關(guān)注的重要問題。通常情況下，觸摸開關(guān)成本比機(jī)械開關(guān)高，會讓許多設(shè)計人員望而卻步。但安森美半導(dǎo)體的電容式觸摸傳感器開關(guān)方案不要求外部元件，提供更多用戶界面功能，大幅優(yōu)化用戶體驗，很多情況下的總體系統(tǒng)成本可能跟機(jī)械式開關(guān)相當(dāng)。因此，電容式觸摸傳感器開關(guān)除了上述應(yīng)用，還可用于其它眾多白家電及家用電器應(yīng)用（如電冰箱、電磁爐），以及電子秤、遙控器、影音設(shè)備等等。

　　總結(jié)

　　過去，電子設(shè)計人員一直傾向于使用機(jī)械式開關(guān)。這種開關(guān)提供諸多固有優(yōu)勢的同時，也存在不少缺點。有利的是，近年來，隨著觸摸屏技術(shù)特別是電容式觸摸屏技術(shù)的發(fā)展，觸摸傳感器開關(guān)為設(shè)計人員提供的有力的另一選擇。設(shè)計人員在白家電等眾多應(yīng)用中使用安森美半導(dǎo)體的觸摸傳感器開關(guān)，不僅提供比機(jī)械式開關(guān)更靈活的設(shè)計和更直觀的用戶接口，還更為耐用，易于清潔，顯著減輕受外界環(huán)境（如潮濕、水、油污及灰塵）的影響，還提供更高靈敏度，減少設(shè)計人員的顧慮，并能使用跟機(jī)械式開關(guān)相當(dāng)?shù)目傮w系統(tǒng)成本。

本文轉(zhuǎn)摘自電子發(fā)燒友網(wǎng)《傳感技術(shù)特刊》7月刊

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