深入理解应用广泛的ＱＭａｔｒｉｘ技术_现代互联网技术的广泛应用

　　在家电、消费电子和手机应用中，触摸传感控制正在日益取代机电开关。触摸传感的流行获有很强的动力，因为工程师认识到，触摸控制使他们能够实现时髦的和多功能设计，从而可以实现产品的差异化，为终端产品创造更高的附加值。
　　由量研集团研发的、申请有专利的电荷转移传感技术具有比其他形式的容性传感更高的稳定性。另外，针对电磁干扰、极高的温湿度及其快速变化，都具有更强的适应能力。
　　QMatrix采用简单的横模电极结构，可为键盘数量较多的应用提供触摸控制。QSlide使用于改变声音和温度的线性滑条控制得以简化。可以利用不同的控制布局，例如，QWheel设计具有的卷轮接口成就了iPOD流行的圆形滑轮触摸按键。可以对QMatrix进行灵活配置，利用其3个传感通道，任意一路都可以用作为滑条或滑轮触摸控制。如今，QMatrix控制已经被集成到量研集团范围很广的许多标准产品中。还提供客户定制的QMatrix，可以集成各种串口并添加功能，特别是对于那些包括家用电器、手机终端、笔记本电脑以及许多其他消费电子设备的各种应用来说。
　　
　　QMatriX
　　Qmatrix器件采用一个扫描式的横向电极的无源矩阵，实现了用单芯片驱动的大量触摸键。该配置实现了传感芯片引脚的高利用效率，相对于每一个按键都需要一个连接的Qtouch以及其他竞争对手的器件来说，芯片和按键矩阵之间所需的连接线较少。这些器件所需的外围元器件最少，并实现了尽可能最低的单键成本。批量时器件实现的芯片成本可以低于5美分/每键。此外，这种结构配置还使其具备一个固有的特性，即可以抗环境变化、防水膜影响和无线电干扰。
　　
　　
　　QMatrix电路具有极高的信噪比，对潮湿水膜的高免役能力，极高的温度稳定性，优异的低功率特性，连线容易，在按键数量一定时IC的封装小。由于这些原因，QMatrix电路特别适用于汽车、厨房、乃至像手机这类按键数量较少的各种应用。
　　量研集团于1999年申请了该技术的专利，已开始用于厨房类应用。随后，该技术一直扩展到包括矩阵式触摸屏的各类应用中，首例应用于美国的landrearkWhirlpool公司于2006年1月面市的Velos Speedcook微波炉系列产品中。利用QMatrix技术可以获取的基本好处包括：
　　按键数与芯片引脚数的高比值，
　　外围元器件数量少；
　　连线容易；
　　可以兼容像CEM-1这类便宜的单面PCB材料，
　　温度稳定性好，
　　抗潮湿。
　　具有对外部RF干扰的高免疫能力，
　　低功率模式；
　　可用于实现清晰的触摸屏，
　　超低的单键成本。
　　每一个传感电极对包括一个场驱动电极和一个接收电极(图1)。驱动发射电极产生一个突发式逻辑脉冲串，接收电极则通过覆盖在上面的介质前面板来收集由发射电极辐射出来的绝大部分电荷。
　　该场的耦合受到触摸的衰减，因为人体将会分流掉以电弧的方式通过前面板的一部分场线。所吸收的部分再通过各个电容通道被人体辐射回去。耦合通过电极结构的互电容的信号被收集到一个与驱动脉冲同步开关的采样电容上(图2)。利用一个脉冲串来改进信噪比，每个脉冲串中的脉冲数量还影响到电路的增益，因为脉冲数越多，收集的电荷将越多，则收集的信号越强。通过调整脉冲串的长度，可以方便地改变电路的增益，使之适合于各类按键尺寸，面板材料以及面板厚度。
　　脉冲串产生第一个斜坡一即加到采样电容上面的梯形信号，经过电极诱导并通过交叉耦合进行充电。脉冲串过后，将斜率电阻置高电平，对采样电容进行放电，直到将电荷放完而出现零交叉点为止。获得零交叉点所需的斜坡时间取决于信号。该电路的双斜坡特性保证了在很宽的工作温度范围内电路的极端稳定。
　　脉冲串过后，通过将斜率变换电阻置高电平，对采样电容上的电荷进行转换，通过检测到零交叉点来产生计时器的值，其值正比于X-Y电极电荷耦合，也反映了手指触摸所引起的电荷吸收。手指触摸吸收电荷，故被测信号随着触摸而减小。在脉冲串阶段引起采样电容上的电荷形成负向上的斜坡，而斜率转换则引起电容器的正向斜坡。其结果是导致转换过程的双斜坡，其并不依赖于采样电容的值，在时间和温度范围内非常稳定。
　　抗潮湿：该矩阵方案提供了双重潮湿抑制特性，这在任何其他容性解决方案中都不具备。首先，存在局部水膜(例如凝露，薄雾或水珠)将会引起耦合信号的略微减小。由于触摸将会使信号减小，由潮湿所引起的对信号耦合的贡献将处于“错误”的方向上，因此而不影响错误检测。其次，出现大片可能引开电荷的潮湿水膜时，则利用将电荷的捕获限制到紧随脉冲边沿的一个窄小时间窗口之内的窄“门控”时间对其进行抑制。由于水膜的建模模型是一个依赖于时间的分布式RC网络，该门控时间(微秒数量级或更短)大大抑制了水膜引起的信号潜在降低的影响。其结果，QMatrix电路从本质上抑制了水膜的影响，从而使其成为潮湿环境的理想选择。
　　射频干扰抑制：由于电极始终连接到一个低阻电路上，并且其电场是封闭的或者自屏蔽的，这对抑制外部干扰是非常关键的。此外，所有的QMatrix器件都采用对抑制外部辐射和外部电场干扰非常有效的扩频技术。由该技术构成的控制面板通过了场强大于20V/m的易受度例行测试。
　　
　　矩阵布局设计
　　通过利用多条X驱动和Y接收线并将按键的电极设置到交叉点上来构成多键矩阵。依时间按顺序扫描按键，并以相同的方式来扫描机电键盘。QMatrix电极能感应通过任何介电材料，如厚度可以高达50mm玻璃或塑料，具体取决于电极的大小和脉冲串长度(增益)的设置。
　　任意的按键尺寸和布周：按键的布置完全随意，可以设置到面板的任意地方，并不一定要设置成图示的矩形阵列。按键信号不交叉，故可以直接彼此相邻。电极也能够不受相邻的接地金属的影响，甚至可以将电极放置到机壳或接地面下方1毫米以内的位置。X和Y线都不受接地平面和相邻导体的影响，不过Y线周边过多的接地会吸收一些收到的电荷，从而引起增益降低，故对Y线的容性负载有一些实际限制。键盘的尺寸、形状和布局几乎都是完全任意的，键盘的不同尺寸和形状在一个键盘面板上可以混用。可以按平面域20:1的系数改变。通过串口的指令可以对每个按键的灵敏度进行单独设置。有关电极设计在量研集团的应用手册AN-KD01有更详细的讨论。
　　材料选择：该电极被定义为2部分交织的电极，可以使用任何导体材料，如PCB铜线或银线以及碳墨。电极是最普遍的传统 PCB或FPCB，可以胶贴到控制面板的后面。由于信号足够强并很可靠，故芯片、电路和电极都可以被布置到PCB的远离触摸平面的那一层上，所以可以采用非常便宜的单层冲压型CEM-1PCB，其价格通常比FR-4型便宜一半。如图3所示，可以用O欧姆的跳线器来实现交叉，成本几乎可以忽略不计。采用工业用胶将PCB粘接到前面板的背面。另一种节约成本的方法是采用具有冲孔并在两面都有银网的PET薄胶片来形成电极层。后来的方案是允许将胶片插入到具有QMatrix芯片和电路的控制器PCB中(图4)。
　　完善的内部信号处理：QMatrix含有所有的信号滤波，放反跳逻辑，以及要求可靠工作寿命长达几十年所需的自动漂移补偿。这些器件中有许多包括FMEA(失效模式和影响分析)自检子程序，报告任何类型的电路故障，例如用于fail-safe操作的短路和开路，从而使得这些器件特别适合于厨房和汽车应用。
　　设计故障诊断：QMatrix器件还有一个独一无二的特性，即能够实时地将实际的键盘信号和诊断信号通过一个采用QmBtn软件的USB接口发送到任意一台电脑上进行观察分析，QmBtn软件可以从量研集团的网站上免费下载。能够实时观察键盘信号的能力为设计增添了高度的信心。
　　发光和背光键始终都是设计师颇感兴趣的。通过简单地将PCB开口，并将驱动/接收电极环绕表面贴装LED及其焊盘和连线，即可把LED放置到QMatrix键盘的中央。甚至这可以在单面PCB上来实现。当被印刷到一片像PET胶片这类的清晰透明的基片上时，可以采用来自Agfa N.V的Orgacon?以及可印刷的ITO这类清晰的导体材料来实现清晰的背光分离按键。用透明的薄胶膜将PET胶片粘合到前面板的背面。将带有LED的PCB放置到这一层的后面，产生所需的背光。可以采用光导和散射来实现更好的背光性能。
　　触摸屏：利用QMatrix的特殊器件(与量研协商)还可以驱动带有1层或2层ITO(Indium Tin Oxide PET上的氧化铟锡，图6)的容性触摸屏。利用一片QMatrix芯片可以兼容驱动传统的键盘和触摸屏两种键盘，从而可以实现与用于整个前面板的主处理器的无缝接口。将ITO连接到扫描矩阵并提供覆盖LCD显示器的大量分离按键。Whirlpool Velos微波炉在一层固态的、完整的玻璃后面采用了这一方法，实现了独特的设计。用这种方式实现的触摸屏不可能损坏，并具有比阻性屏高得多的透明度。
　　接近式感应限制：由于电极间的电场的封闭特性，这类器件不适用于接近式感应设计，除非采用间隔距离较远的大电极，使场线能够辐射到面板前方的自由空间。QTouch器件通常可以更好地实现远距离的接近式感应，因为其场线能够更好地辐射到自由空间。但与Q触摸技术不一样，QMatrix电极更能容忍与接地面以及附近其他印制导线之间的杂散电容的存在。
　　
　　器件特殊说明
　　Quantum QT6xxxx系列的器件都是QMatrix IC，用的几乎都是同一器件，即QT60645，可以实现的键盘数量从16到64。器件编号中间的3位代表器件的键盘数量，而末位数字则代表变更码。QT60160和QT60240是专门为低成本应用设计的，不过没有FMEA(安全自检)功能，非常适用于像MP3和手机这类便携式应用，以及像洗衣机这类的非厨房类应用。这两种器件都采用12C接口，而在其他绝大多数的Q系列中用的都是SPI接口。
　　所有QMatrix器件都采用AKS(Adjacent Key Suppression)专利技术。该技术允许将所有按键都密集地布置到键盘上，且一定程度上解决了由于手指触摸在交叠位置引起对多按键同时触摸引发的模糊触摸问题。其实现方法是对来自同时被触摸的各键的信号进行信号强度分析。该技术还可以支持便携式设备的“头部和口袋误触摸检测”，例如手机，在用户手持听电话时可能会碰触头部，或者在口袋里会被误触摸。实现的方法是在键盘附近策略地安置了“保护键”，当保护键被触发后，可以锁住任何一个键或者所有键，以防止误操作。该技术还可以用来防止面板表面水膜的影响。定制：超过一半的QMatrix器件可以定制，来满足特定的应用。定制过程很简单，因为这些芯片都内含带有闪存的微控制器。在量研集团的零件表中，从‘QT6C’开始往后的都是定制器件，这些在公司的网站上没有详细介绍。
　　
　　应用
　　自从1999年研发出来后，QMatrix器件的主要应用集中在厨房领域，主要的客户包括Whirlpool,Miele和Electrolux。主要用的都是按键数量较多的器件，例如QT60326或其他定制器件。从Whirlpool Velos SpeedCOOk微波炉(图6)开始，对触摸屏的兴趣大增，该设备采用了QT6系列的器件。从此，采用该技术的大量触摸屏设计开始进入市场。
　　后来利用QMatriX实现了手机和其他便携式应用中的设计，其成功的原因主要在于该技术相对于其他老式方案的技术优越性，并能减小封装尺寸，另外就是能够实现较多的按键数量。此外，该技术还赢得了汽车领域中的设计，因为它在极为恶劣的环境条件下具有工业级的鲁棒性。
　　
　　相关链接
　　新一代人机端口：电容式触摸感应芯片
　　
　　可能你会对“电容式触摸感应”这名词感到陌生，但如说就像“iPod”上的圆型触控面板，LG的“巧克力”手机上的触控按钮，还有一些电磁炉的面板，可能会马上明白。多谢这些产品令用户开始接触此类新的人机端口，也令半导体行业对此类蕊片需求关注起来。其实市场是有此类需求的。首先，传统按键的设计总会有空隙，以致有入水的机会，令控制板失灵，如用上“触摸感应”的按键面板上，没有空隙的一体化的面板，容易清洁。另外，“触摸感应”对产品设计师来说是一个喜讯，因产品按键的大小或数量不受制于模具，按键布局完全取决于PCB的设，就是说，同一模具可以因PCB的设计而有不同的按键布局。
　　
　　优势
　　“电容式触摸感应”不一定是按键，可以设计成“滑条”(Slide Bar)或是其他形状。比如ATLAB的ATA2508芯片内置了最多十二个可编程I/O，可以设定成跟按键相配对的指示灯，指定型号内甚至有蜂鸣器驱动口，用作产生按键提示音。ATA2508的工作电流约为100uA，待机电流为60uA，休眠电流为0.1uA，功耗是其他品牌的十分之一，但却能提供每秒五千次的取样率，差不多是其他品牌的二十五分之一。由于是差分式输入，而且按键的旁边不需有接地，因此，即使是把水倒到按键面板上，也不会有 误动作。每个按键可独立设定灵敏度：设定得愈小，就愈灵敏。相反，设定得愈大，就愈迟钝，对于厚度不一致的外壳，能独立作出调整。ATA2508在不同射频下(如900M-2.4GHz)都能正常工作，可以承受HMB mode：8kV，Set mode15k的ESD。而有些应用内有AM收音机，它也不会对收音机产生干扰。即使天气冷热，湿度高低，都能维持设计好那时的灵敏感，这也是因为有自动阻抗调整功能。针对不同应用的需求，ATALAB提供了有单键/双键/所有键输出模式。工作电路用了极少的零件，只需要几颗电阻电容，就能完成工作电路。
　　
　　“电容式触摸感应按键”面对的困难
　　手感：跟传统按键比较，“触摸感应按键”面对最大的困难，就是不实在，没有按键的感觉，没有手感。举个例子，很多人打手机时，根本不需要看着数字键，已能确定数字键的位置；计算机上的键盘也是。这就是因为习惯了按键的感觉，所以这类应用是不合适的。但其他应用，也会出现没有手感的问题，不过很多产品工程师会在设计时，在按键动作出现时，配上LED或加上蜂鸣器，表示已按键。ATLABATA2508特别为此类问题而特别设计了最多十二个I/O口(指定型号)，和用作驱动蜂鸣器的引脚(指定型号)。
　　按键面板材料：十分简单，基本上只要是非导电的物质，都可以用作“触摸感应按键”的外壳材料，但问题在于印刷面板上按键图标和文字的颜料，如颜料之中用了一些含有导电成份的物质，那么就会完全影响了按键的效果，例如一开机，就已有按键给按下。
　　按键跟芯片的距离：最好是把芯片按键做在同一块PCB板，如果距离太远，PCB走线太长，会增加收到噪声的机会，而且会使整体的按键的阻抗值不匹配。
　　老产品配合触摸感应按键：有些已经是成熟的老产品，本来的表键是用MCU的A/D来读电阻梯型式的按键，如想要加上触摸感应按键，但由于MCU部份可能不能改，所以无法直接换进去。如真的要用，可能要要加上一粒MCU来实现，或是用ATA2508提供的I/O输出作按键输出。
　　
　　解决方案
　　威雅利公司推广ATA2508触摸感应芯片已有一段时间，做了不少参考设计，例如配合MCU做出一个完整方案，现在可以配合客户的设计需求，帮手布板。
　　准备：如想为你的产品做“电容式触摸感应”按键，有些数据一定要先确定下来。例如外壳大小，镙丝孔位置，PCB的大小，按键的大小、形状、数量。面板的材料和厚度。PCB的型式，可以是单层/双层、软质PCB(又称FPC)、又或是薄膜(ITO)。
　　参数调整：ATA2508的外围电路十分简单，大部分的设定都是通过12C对指定地址设定，简单的灵敏度调整，都是通过改变ALPHA值，而过滤跳动时的误动作则需要改变BETA值，BETA值可以看成是一个门坎值，此数值一般都必需少于ALPHA值。另外，还有ReferenceDelay，hltegration Time，和Strengm Thresh01d。
　　最后关头才需要的外加电容：多数情况下，通过参数调整已足够做出效果不错的“触摸感应按键”。但有一些情况会需要加上某些按键加上电容，例如其中有一个按键与众不同，面积较其他的大很多、或是小很多。
　　简单测试：防水测试，把一些水倒在覆盖按键金属面的面板上，测试有否按键被误触发；电话干扰测试，把正在拨出电话的手机放近按键板的面板上，看看是否会被误触发。收音机测试；有些产品内有收音机部分，测试收音机会否被干扰。(ATLAB都可以通过以上测试)
　　应用分享
　　已计划或现正使用“电容式触摸感应”的产品多不胜数，比如如下几个方面。
　　洗衣机
　　传统的洗衣机的面板都是一些机械式按键，这些按键的使用次数不多，每次使用时，只是设定某些洗衣程序再按开始就可以了。而且，放洗衣精、洗衣液，或柔顺剂的时候，总有不小心的时候，可能会把这些东西淋了在面板上，时间长了，渗入了按键内，甚至影响电路板工作。而用“触摸感应”方法的话，按键是做在面板上，跟主机一体化，清洁容易，而且有防水功能，不只是“触摸感应”按键，甚至可把洗衣机常见的“旋动选择”改成“触摸感应旋动选择”。
　　电磁炉
　　因电磁炉的高效加热原理十分之高效率，十分适合火锅或是烧水。电磁炉的按键一般都落在前方的表面。而这两种应用中，都涉及到“水”，尤其是当电磁炉用于火锅的时候，经常看到有人会不小心把“汤”浇在面板上，如果用传统的机械式按键，相信渗进电路板的机会很大。而ATA2508的防水功能，就十分合适。
　　电视
　　现在的电视，通常都用红外线遥控器，用家真的很少走到电视前去按面板的功能键，所以如果面板用了“触摸感应”方式的按键的话，可以节省了按键的成本，因只要把有按键形状的PCB线路板贴在面板内，就可以有按键，这样做也可以令同一模具有不同的按键布局。