告別土法煉鋼　電容感應校準與時俱進

電容式感測裝置是一種觸控感測的形式，提供有別於傳統機械式按鍵與滑桿(Slider)的另一種控制方式。不像以往偵測按鍵實際按壓狀態的方法，電容式感測可偵測導體物的接觸與否，可運用於觸控螢幕、觸控板、以及近距感測(Proximity Sensing)等裝置。大多數觸控物都是人體的一部分，像是手指。為了解設計程序上的演進，首先要知道電容式觸控技術的基本原理。  

任何電容式感測解決方案的基本架構，都是由一群環繞著電場的導體所組成。人體本身就充滿導電的電解質，而包覆的皮膚則是介電質。事實上，我們的身體，包含手指在內都是導體，因此才能操作電容式感測的人機介面。  

如果仔細看一顆簡單的平行板電容器，就會發現其中有兩片導體中間隔著一層介電質，而此電容的主要能量就是集中此兩片導體之間。但是有些電能也可能會溢出在兩片導體之外的區域，而這些電能就會形成所謂的邊際電場(Fringing Field)，亦即溢散出來的電場線。要讓電容式感測器正常運作的挑戰，就是在電路板上設計印刷電路，以控制使用者感測作用區內的邊際電場。但視應用設計的實際情況，平行板電容器不一定適合用於每一種產品，因此在實作有許多其他變形選項。  

圖1為單一電容式感測按鍵的截面圖。在某種覆蓋層材質(通常是薄塑膠)之下有導電的銅箔區與感測器。當任兩個導體靠近到一定的程度就會形成電容，如圖中C_p所示，也就是感測器導體片與接地片耦合時所產生的寄生電容，一般約在10～300pF之間。在感測器與接地片靠近時也會產生邊際電場，它會越過上方的覆蓋層。由於人體組織基本上就是導體，因此如果手指頭靠近邊際電場的區域就會增加電容式系統的表面導電區域。

圖1　電容式感測器截面圖

此處手指頭所增加的電容值，即圖2中的C_F，通常有0.1～10pF的量。雖然手指帶來電容系統的改變，但對於寄生電容的量來說是相對很小的。電容式感測可以說就是在觀測這些微小變化的程序。

圖2　電容值的加總量

假設感測器所量測到的電容值為C_X。若無手指觸碰時，C_X就等於C_P；當手指觸碰時，C_X就等於C_P與C_F之和。  

對於電容式感測技術最常見的誤解就是手指須要接地才能讓系統運作。這是錯誤的觀念，手指之所以會被偵測到是因為其所造成的電容變化量，無論手指是浮接或是接地。

一般電容式感測器會設計在傳統的印刷電路板上，例如標準的FR4印刷電路板或是軟性的印刷電路板。感測器採用與電路板上導線相同的銅，而非特殊材料。感測器最大的感應能力主要決定於兩大因素：感測器的實體尺寸，還有覆蓋層的厚度和介電常數。這表示大按鍵加上薄的覆蓋層所形成的感測器會比小按鍵加上較厚的覆蓋層(相同材質)更為靈敏。  

硬體校準土法煉鋼效率低  

任何電容式感測的設計基礎就是感測器的校準。校準可消除感測器在系統中的錯誤動作，以及感測器未偵測到之動作所產生的問題。直到最近，獨立感測器也須要搭配由電阻和電容所組成的分立元件，來調整每個特定感測器的靈敏度。  

使用這個方法，工程師必須在電路板上焊接電阻與電容，並且測試這些元件在電路上的數值，然後決定是否接受這些元件值，或是須要更換新數值的元件。如果須要加新的元件值，整個程序就必須重新焊接上不同元件值的電阻與電容，然後再測試一次。  

在某些情形中可能會需要兩個電容並聯，才能得到所需的電容值，以獲得所需的關鍵靈敏度平衡。設計人員也必須考慮到太長的導線與接地片，會增加感測器的電容值，造成較差的訊噪比(SNR)並且降低效能。加上串阻和負載電容有時可以改善這個問題。  

只要在麵包板(Breadboard)上建構這樣的系統就能複製上述程序，因為只要把電阻和電容插上去即可。但若要精確的調整，這種方法恐怕不能提供足夠的準確度，因為實作上的考量，會造成系統許多方面的變動，例如因為導線長度增加，而可能造成更多的雜訊，或是訊號必須經過更多的連接器。  

這種手動的「猜測檢查」(Guess and Check)校準非常花時間，而且很快就會損害採用電容感測器原有成本效益的優勢。幸好在電路板上感測器之間不平衡的狀況，通常可以藉由調整各個分立電容的偏值得到改善。  

韌體校準有助提升效率  

可編程裝置在過去幾年越來越受歡迎，它可實現以韌體校準感測器的方法，是用硬體猜測檢查方法之外的另一種選擇。可動態編程校準功能，讓工程師能透過改變裝置內韌體的數值調整按鍵的靈敏度。這種方法還是須要某些猜測工作，但卻可省下不少時間。系統參數可以編程至感測器中，無論是調整韌體內的值然後重新編譯程式碼再下載，或是利用可調整的測試平台。這些原本要花好幾天的工作，現在幾小時就能完成。  

圖3　不同計數值與按鍵狀態之間的轉換函數

在可編程晶片中執行電容式感測時，應用程式中的韌體會掃描每個感測器並且量測其電容值。這些值通常又稱為原始計數值(Raw Count Value)，並儲存在裝置中。該裝置也會追蹤原始計數所需的基準值(Baseline)。每個感測器的基準值，就是由裝置週期性計算出的平均原始計數值。  

更新基準值十分重要，因為可以確保系統能夠動態修正因溫度和其他環境因素所造成的系統變動。感測器當下的開/關狀態是原始計數值以及基準值的差來決定。即使基準值不斷地隨時間而變動，這種方法也能讓系統效能維持穩定。圖3顯示在韌體中，介於不同計數值與按鍵狀態之間的轉換函數。  

就算計數值受到雜訊影響，轉換函數中的遲滯讓開啟與關閉之間的狀態清楚轉換，消除開啟與關閉間來回跳動的情形。其中較低的界限值稱為雜訊臨界值(Noise Threshold)，較高的則稱為指觸臨界值(Finger Threshold)。這些值的設定會決定系統的整體效能，並且能反映出系統對於錯誤動作或偵測失敗的容許程度。若覆蓋層很厚，訊雜比就會低。因此，要在這種系統中設定上述的界限值將會是一大挑戰。  

一些已經預設好的韌體開發工具，包括具備裝置內部連結、輸入/輸出(I/O)驅動模式、多種電容式感測運作與校準的應用編程介面(API)，都能讓電容式感測器的設計更方便。參考程式碼不但可以作為基本功能設計的起頭，也可當成特定專案客製化與最佳化的工具。  

研發人員可利用標準除錯工具裡所提供的即時回應顯示，以減少校準時的猜測檢查時間。設計專案的電路板藉由與電腦連接，可以即時監控所有測試的結果，並且自動進行必要的調整，直到獲得最佳的校準參數。這項校準工具所提供的即時回應能力，可加快電容式感測器的研發速度。  

軟體校準將成未來主流  

最近軟體也逐漸被用於校準電容式感測器。這些程式整合了感測方法背後所牽涉的數學計算，並且隱藏在使用者看不到的地方。這些工具提供高階與低階的應用編程介面。這些API運作時，能利用晶片所收集到或儲存的資料，並且省去韌體校準所需的一些步驟。其中常用的API包括掃描偵測器、設定解析度、設定時脈訊號與時序、控制邏輯輸出、甚至還有睡眠與喚醒裝置的程式。  

這些軟體工具會控制main.c檔案(或其他主程式檔)以外的部分，這樣就能減少須要撰寫的程式量，其實就是將控制的部分移出程式碼以簡化程序。舉例來說，若裝置在直接掃描感測器時失去控制，設計者不用呼叫讓裝置進入睡眠模式的函式功能，因為軟體已經寫好這些程式了。而且也可以透過顯示介面觀察感測器的狀態，並可根據這個介面，來修改校準的設定，以及立即看到修改後的結果。當設計者在觀察感測器狀態時，軟體會在背景作業管理所有API的運作，並喚醒裝置、掃描感測器、再讓裝置進入睡眠模式；它也會負責每隔一段適當時間就再次喚醒裝置的運作。  

校準工作效率攸關產品開發成本  

視覺化軟體設計工具，將有助於電容式感測輸入裝置持續發展。原始設備製造商(OEM)能因此節省成本，特別是在高階設備中採用電容式的感測按鍵，不但能節省研發方面的成本，並可使元件數減少，且能在長時間運作下有更高的可靠度，減少故障發生，進而延長設備使用壽命。  

(本文作者任職於賽普拉斯)