開啟人機互動新篇章　近距感測進駐嵌入式產品

近距感測應用多元　住宅/車輛俯拾皆是  

近距感測的應用範圍涵蓋各種行動式或電池供電的裝置領域，並常見於最新的手機及音樂播放器中。近距感測在這些裝置中最主要的功能就是省電，舉例來說，當音樂播放器或手機液晶螢幕沒有偵測到手或手指接近時，就會維持關閉狀態。  

由於螢幕保持關閉，因此只有中央處理器(CPU)會耗用電池的電力，系統便不用供電給液晶螢幕。而一旦偵測到手部接近，螢幕就會發亮並顯示目前播放樂曲的名稱或是來電資訊。既然平均耗電量減少，電池的續航力當然也就隨之延長。  

住家應用貼近日常生活  

近距感測的功能也常運用在住宅自動化方面。只要在檯燈前揮手，就能自動開燈；或是當伸手到水龍頭底下，水龍頭就會自動給水；又或是只要使用者不接近設有螢幕設備的微波爐或電冰箱，其螢幕就會呈現關閉狀態；一旦使用者靠近，螢幕與燈光又會自動開啟，現在許多新型的自動化住宅系統皆採用此功能。  

此外，在平常狀態中，照明與家電控制所使用的觸控螢幕，還可設定為顯示器或數位相框，當有人靠近時，螢幕又會轉換回控制面板並顯示隱藏的觸控按鍵。近距感測亦能運用於保全領域中，當感應器偵測到不明人士意圖靠近門把或窗戶時，警鈴就會自動響起。  

此功能還可進一步延伸，用來建構更聰明的家具與家電。例如當盛裝高溫液體的器皿偵測到人體靠近並伸手即將碰觸時，會藉由改變表面顏色以顯示內裝液體的溫度，可避免意外在廚房遭受嚴重燙傷。而浴缸也能同樣在人體入浴之前，事先警告洗澡水的溫度過高或是過低。  

感測技術入主四輪電腦  

在汽車領域部分，汽車製造商亦可運用近距感測來打造更聰明的智慧型車用系統。想像當駕駛靠近車門旁時，車子就能自動感應並打開車門。除此之外，系統還能自行發動，並根據車內的溫度調節冷、暖氣。當汽車偵測到方向盤或排檔桿溫度太高時，它還會在駕駛的手接近時立即發出警告。當駕駛的手靠近旋鈕或按鍵，汽車系統還會以語音告知其功能。而除了上述的應用外，近距感測這類新發展技術還有許多能突破的功能極限。

人機介面受歡迎  

而最受歡迎的應用之一，可能是各式人機介面應用。例如近距感測可用來顯示鍵盤中隱藏的觸控按鍵。滑鼠在偵測到手掌靠近之前，會維持休眠模式。當手掌握住滑鼠後，滑鼠就會被喚醒，並開啟射頻以與個人電腦(PC)連結，並可直接運作，這種設計可延長電池續航力。近距感測按鍵也可取代機械式按鍵，用來啟動關機狀態的筆電。這類功能還可延伸至電冰箱的門、微波爐以及手機設計等。  

慎選適當近距感測技術  

目前，近距感測已發展出許多技術，包括電阻式、電感式、電容式、光學式、音控式及視覺式等方法，每種技術都有其優缺點。設計者應根據應用、成本及用途來挑選適合的技術。不過由於電容式特別具有應用多元性，因此不少業界人士皆對探討如何建置一個電容式近距感測器頗感興趣。  

電容式提供高精準度偵測  

從圖1所示的電容式感測元件截圖，可了解電容式近距感測的運作原理。導電的銅質區域和導電感測器分別位於覆蓋膜下層，兩個導電元件彼此相鄰，建構出一個寄生電容，此寄生電容是由感測器墊片以及接地面所結合而成，其數值通常介於10～300皮法(pF)之間。當感測器與接地面之間相接近時，亦會產生一個能穿透覆蓋膜的電場，當像是手指等導電物體接近電場，就會增加電容系統的傳導表面區面積。此系統中整體電容的變化，被用來偵測手指靠近電容式感測元件的狀態(圖2)。

圖1　尚未偵測到任何導電體時的電容式感測元件

圖2 手指接近時的電容式感測元件

一般近距感測器的精準度與可靠度端賴精準量測系統的電容變化。目前有許多方法能達成相同的效果，常用的方法包括電荷轉移(Charge Transfer)、逐次漸近型(Successive Approximation)、Sigma-Delta以及互容量測(Mutual Capacitance Measurement)等感測法，每種方法都有其優缺點。目前電容感測IC較常採用的技術是電容式逐次漸近(Capacitive Successive Approximation, CSA)與Capacitance Sigma-Delta(CSD)，兩種方法均須使用切換電容電路及外部調校電容(CMod)。  

在CSA感測法(圖3)中，切換電容網路會對CMod進行充電，充電後CMod的電壓會經過一個低通濾波器傳至一個比較器，這個比較器會將電壓和參考電壓進行比對。而振盪器提供時脈的計數器，將由比較器的輸出值進行閘控，所輸出的數據經過處理後，即可研判感測器的狀態。CSA只需極少的外部元件，同時亦不受電源供應器的瞬態所影響。

圖3 CSA感測法電路圖

在CSD感測法(圖4)中，切換電容的輸入階段含有CX感測電容。切換電容網路會介於VDD以及CMod電壓之間，由虛擬亂數(Pseudo-Random)產生器控制切換電容網路的切換頻率，CMod會持續進行充電與放電動作。當比較器開啟，洩漏電阻(Bleed Resistor)會切換成關閉，此時CMod會開始放電，直到新的數值儲存在同步開關為止。開關輸出位元流之後會和脈衝寬度調變(PWM)進行「ANDed」邏輯處理，然後啟動計數器，計數器的輸出數據經過處理後，即可研判感測器的狀態。CSD適合用於家電產品、工業與車用等領域，因其較不會受電磁與幅射干擾。

圖4　CSD 感測法電路圖

電容式近距感測有利有弊  

相較於其他感測方法，電容式之優勢為手指偵測的距離範圍較大，使用外部天線感測器時可達30公分以上，沒有天線時也能達到10公分以上，且靈敏度也遠勝於電阻式或電感式其他感測方法。在成本方面，因感測器可由不同媒介來構成，如銅、外部線路感測器、氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)或印刷墨料，因此較為低廉。另外，電容式也有元件尺寸極小化、具溫度穩定、設計彈性、可防水、耐高溫、耐溼氣等優勢，更能搭配玻璃等各種非導電及不同厚度的覆蓋材質。因此，其高可靠度與耐用性，可取代其他機械式元件或感測方法。  

不過，電容式並非完美，該技術仍有缺陷。舉例來說，感測元件必須要有導電性，讓它能偵測到靠近的人體組織。然而當手戴上橡膠手套時，就可能無法偵測到。而當導電物體一直待在感測器旁時，系統會持續重新計算旁邊的手所產生的寄生電容，這可能導致後續的假性偵測。但這項缺點只須透過軟體就能輕易修正。  

最重要的一點是，當金屬物體靠近感測器時，電容鄰近感測的偵測距離就會大幅縮短，這對感應效率將大打折扣。  

避免金屬遮蔽效應有撇步  

當附近的金屬物體存在時，電容近距感測的範圍就會減少近十五倍，主要原因是金屬物體會提高感測器的游離電容(Stray Capacitance)，這種游離電容會衍生出較高的全動態範圍而降低近距感測的反應值。如此一來通常須降低運作頻率，進而降低偵測距離，接地的金屬面亦會擷取部分的感測器電場，並降低增加的手指電容。  

由於大多數家電產品都有金屬外殼，這種特性會對此類設計產生負面影響。但若在感測器與金屬物體之間置放一個遮蔽電極，就能排除金屬表面產生的影響，因為遮蔽電極的電位和感測器相同，這種方法就可有效解決感測距離的問題。  

目前已有供應商能協助研發業者將電容式近距感測及通用型電容式觸控按鍵感測器整合至產品設計中。例如透過可編程系統單晶片(PSoC)快速進行原型製作與開發，讓用戶把電容感測器連結至通用型之輸入/輸出(General Purpose I/O, GPIO)接腳，或是加上調整器(Tuner)，以根據特定硬體感測器的配置設定適合門檻值與雜訊參數。  

在消費性電子裝置中運用近距感測技術，除了實用功能外更兼具「酷炫」特色，也可望為新設計案創造更大市場競爭優勢。  

(本文作者任職於賽普拉斯半導體)