电荷迁移感应(QT)技术是一种基于电荷保存基本物理原理的技术,基于QT技术的触摸传感器具有简单、稳固、精巧、消除了电子噪声、低发射干扰的特点。本文介绍了触摸键、滑动键和滚轮传感器三种常见的QT传感技术应用。
设计工程师通常可以选择机械按钮开关、弹片开关、橡胶键盘和薄膜开关来实现控制面板。通常,这种选择是由所讨论的控制面板所在的设备对质量、价格和可靠性的要求决定。然而,上面的所有选择中都存在共同的缺点-易受环境影响、易磨损以及在美学上的选择有限。随着消费者的辨别能力的增强,产品外观越来越成为决定其市场是否成功的重要因素。仅以MP3播放器为例,你就可以了解外观的重要性:苹果公司生产的主流MP3不仅以易于使用和容量实现差异化,而且通过卓越的工业设计,使其产品成为非常“酷”的产品。因此,设计工程师需要那些在不牺牲技术性能的情况下,能尽可能自由地实现极好包装视觉效果的控制面板技术。
图1:QT1080的一种典型应用电路。
基于专利电荷迁移技术的芯片能提供这种灵活性,可以产生由简单触摸按钮、开关阵列、滑动键、控制轮,甚至触摸屏构成低成本、耐用的面板。
电荷迁移感应技术
Quantum Research公司的电荷迁移感应(QT)技术是一种基于电荷保存基本物理原理的技术。在工程学上,“Q”代表电荷,因此以“QT”指代“电荷迁移”。同样根据开关电容感应技术,QT传感器使用电子开关来对一个未知电容的感应金属板进行充电,达到一个已知的电动势,然后将最终的电荷迁移到一个测量电路中。通过测量在一个或者几个充电-迁移周期后的电荷,可以确定感应金属板的电容。通过利用微处理器控制的MOSFET晶体管开关来以突发模式实现充电-迁移-获取的过程,这样可以通过监测电容的微小改变来确定有什么东西接近或者触摸到感应表面。
QT技术比其它的电容性感应技术更具有稳定性和准确性,具有几十倍程的动态范围。QT传感器不需要线圈、振荡器、RF器件、特殊电缆、RC(电阻电容)网络等很多离散器件,具有简单、稳固、精巧的特点,并且成本可接受。此外,因为基于QT的设备依赖于扩频调制,因此实际上消除了电子噪声,同时大大抑制了发射干扰。这些特性对电路的敏感度、稳定性、复杂度、EMC兼容性和成本具有很大的影响。更重要的是,所有的QT器件具有自动漂移补偿,能解决老化或者环境条件改变带来的缓慢变化。
触摸键
最近推出的QT1080是一种8键的QTouch传感器IC,用于像移动电话、MP3播放器、PC外设、遥控等相似的便携式消费产品中的低功率传感应用。在低功率模式中,电压为3V时只消耗40uA的电流,驱动8个触摸键,可以采用各种不同尺寸、各种面板材料实现多种机械设计。像其它QT产品一样,它通过只在预先定义的采样周期数之后才记录一次触摸,来提供完全去反弹的结果。邻键抑制(AKS)是这个器件中的一种正在申请专利的功能,能防止一次触摸多个键响应,它是通过比较一组按键的信号强度,并忽略那些信号弱于最强信号按键的键来实现的。AKS技术可以用于所有的8个键,或者分别有四个按键的两个键组,也可以禁止该功能。
该器件在上电时还能自校准,并在很长的探测时间之后重新校准,这样就不会因为外物接触感应表面或者其它不期望的影响将按键“冻结”。
图2:QSlide提供7位的分辨率,通过串行SPI接口向主控制器提供位置数据。
当用于实现单触摸按键时,通过改变一个外部参考电容就可以独立地调整每个按键的灵敏度。QT1080还包含一种快速检测模式,这种模式适用于那些需要一种简单的触摸滑动键的应用。通过使用一串触摸传感器电极可以实现简单的触摸滑动键。图1显示了一种典型的应用电路。
QT1080具有一种独特的“低功率唤醒”模式,这种模式允许非常低的电流消耗,一般为40μA,同时保持在按键按下时能快速响应。这种模式可以用于在人接触时唤醒产品。这个器件具有两种输出模式:一个引脚对应一个按键和二进制编码。该器件采用单电源工作,电压范围为2.8VDC到5VDC,采用微型无铅QFN-32封装。
触摸滑动键
对于需要不断进行连续调整控制的应用中,QT401 QSlide芯片模仿使用触摸来控制的滑动电位计。像QT1080一样,基于QSlide的控制可以在完全封闭的面板内实现。QSlide还实现了设计灵活性,允许选用很多种材料用于外壳,因为滑动感应非常可靠,甚至可以检测到戴手套的手对坚固的玻璃或者塑料面板的触摸。
滑动键串不需要排列整齐,它们可以组成弧形或者其它形状以适合具体的应用,因此系统美学设计可以满足于终端产品的需要。QSlide提供7位的分辨率,通过串行SPI接口向主控制器提供位置数据,如图2所示。尽管QSlide是针对于消费应用,但同样适合用于医疗、工业、汽车和计算机外设。例如,从速度、温度和声音控制到照明、显示器亮度和机械位置感应都可以使用。
QSlide使用了两个横跨一个简单线性电阻单元的电荷迁移感应通道。它利用一种算法来确定触摸位置,与信号强度无关,使检测又准确又可靠。电阻单元可以由串联的分离电阻组成,在显示器上使用一个电阻性厚膜层,或者一种可见的铟锡氧化物(ITO)薄膜。通过将ITO滑动键串附着在LCD面板的保护玻璃上,可以实现很简单的触摸屏,这种方法比电阻触摸屏的成本更低,因为QSlide只需要一层ITO。这种方法还能保证较好的可靠性,因为传感器受到上面覆盖的玻璃保护,除非上面的这层玻璃被破坏,否则不会损坏。
与QT1080相似,QT401提供一种独特的“睡眠唤醒”模式,这种模式可以用来对产品唤醒。QT401通过提供一种接近模式,允许通过检测接近面板50毫米远的手来唤醒产品。这种功能可以用于在用户触摸到产品之前使显示器或产品从待机状态激活,产生一种真正“魔幻”的用户体验。在低功率模式下的耗电低于10μA。
图3:QT510 QWheel芯片典型应用电路。
转轮传感器
对于像在某些MP3播放器上的转轮传感器,采用QT510 QWheel芯片可以将旋转触摸感应的实现成本降低60%。大批量时,现在的旋转电容式方案一般需要5美元左右,但采用QWheel技术来实现触摸转轮可以将成本降低到两美元左右。像QSlide一样,QWheel可以以“电容式电位计”形式来实现,用手指进行触摸。该器件的电极由一个简单的电阻环元件组成,可以放在任何的绝缘体面板后面。三个电容性QT通道连接到这个环,信号被处理成7位的绝对位置数据,如图3所示。通过一个标准的SPI串行接口输出。不需要外部有源器件,工作电压只需要一个2.5V到5V的单电压。
QWheel可以透过3mm厚的面板来感测,甚至可以在戴手套的情况下感测。当放置于玻璃或者塑料后面,可以形成平滑的、密封的、不易损坏的旋转触摸控制,可以替代任何的机械编码器或者电位计。它不需要在机械结构上开孔或者安放旋钮,因此没有保养和维护的问题。
该元件工作于低功率模式,电流消耗低于10μA。QT510也具有QT401 Qslide触摸滑动按钮器件中介绍的相同“魔法唤醒”功能。
Qwheel是现有的电容式感应技术的一种可靠的、低成本的替代选择,可用在可以采用机械控制方法的任何应用中,包括菜单翻转、音量、照明、位置、温度和速度控制应用。其潜在的应用与QSlide一样广泛。
本文小结
随着电子设备消费者的要求越来越苛刻,外观美学设计在这些产品的成败上扮演越来越重要的角色。同时,降低成本总是产品设计工程师最优先的设计考量。基于电荷迁移感应技术的人机界面很灵活、可靠、并具有成本效益。最重要的是,它允许实现创造性的外观设计,让你的产品与众不同。
作者:Hal Philipp
首席执行官
Quantum Research公司
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