近來在便攜式媒體播放器、筆記型計算機、手機市場中陸續出現的各項令人感到興奮的電容式感測技術之應用，讓人幾乎忘了這類界面技術早已廣泛地應用于家電用品的設計中許多年了。感測算法與控制電路兩方面的重大進展，讓這項技術適用于更多的應用領域。設計人員看到了電容式感測技術的價值所在—不僅可取代機械式按鍵與膜片開關；并可適用于各項新穎的應用，如：觸控式屏幕與近距傳感器等。 　　感測電容 　　電容式傳感器是由導體片、接地面、與控制器所構成。在多數的應用中，導體片會用一片銅制電路板，而接地則用灌注填充。這兩者之間存在有原生（寄生）電容（CP）。當其它如手指頭等導電物體接近傳感器時，隨著該物體的電容值（CF）增加，系統的電容值也隨之增加。（如圖1） 　　要偵測由CF造成電容值增加的方法有好幾個。場域效應（Field Effect）量測方法中，在感測電容器與系統參考電容器之間使用交流電分壓器。藉由監測電流在分壓器上的改變可以感測到手指觸碰時所產生的電容值變化。電荷轉移（Charge Transfer）則使用切換式電容器電路以及參考總線電容值，重復進行從較小的傳感器電容器至較大總線電容器之間的電荷轉移步驟。總線電容器上的電壓值與傳感器電容值兩者之間存在著比例關系，因此在固定次數的步驟后量測電壓值，或藉由計算達到某一電壓臨界值所需的步驟次數，來決定該電容值。另外，弛張振蕩器（relaxation oscillator）則是用量測充電時間的方法，其中充電速率通常是由固定電流源的值和傳感器電容值所決定的。較大的傳感器電容器需要較長的充電時間，這部份通常能運用脈沖寬度調變器（PWM）與定時器來進行量測。至于連續近似法（Successive Approximation）也是量測電容充電時間的方法，不同的是當中的起始電壓是由連續近似法所決定的。 　　以PSoC 組件執行的連續近似法（Cypress 申請之專利）采用一組電容對電壓的轉換器以及單斜率模擬數字轉換器（ADC）。其電容值量測方式是先藉由將電容值轉換至電壓值，接著將該電壓值儲存于電容器內，然后再利用可調式電流源來量測所儲存之電壓值。其中電容值對電壓值轉換器乃是利用切換式電容器技術，此電路系統讓傳感器電容器可依其電容值反映出對應的電壓值。切換式電容器所用的頻率則是由PSoC 本身內部的振蕩器所產生。 　　傳感器電容器連接到模擬多任務總線上，并利用同樣連接總線的可編程電流輸出數字模擬轉換器（iDAC）進行充電。每個總線上充電電量為q=CV。當SW2 為開路且SW1 為閉路時，跨CX兩端的電位勢為零，且會減低總線上的電量，所減低的值與傳感器的電容值成比例。這種充放電的動作會一直重復，此時傳感器電容器也會成為總線上的電流負載。（如圖2） 　　藉由切換式電容器的電路運作，iDAC 就會以二元搜尋法的方式決定出總線上恒定的電壓值有多少。該電壓值會影響切換式電容器的切換頻率、傳感器電容值、以及iDAC 的電流值。總線其實也等同于一個旁路電容器（bypass capacitor），可以穩定最終電壓。在總線上也可以增加額外的電容器，以調整電路的行為與時序。 　　計算所得的iDAC 值接著再度用來對總線充電，并且測量總線從初始電壓到比較器的臨界電壓所需的充電時間。初始電壓是在沒有手指觸碰的情形下，因此充電時間可事先測定。當手指觸碰傳感器時會增加CX 的值，并且降低初始電壓，因此會延長充電時間量測。（如上公式及圖3） 　　建構傳感器 　　電容傳感器有多種型態與功能，可以采用各式各樣的媒介，實作樣式從簡單到復雜都有。而決定傳感器建構與建置細節的還是應用本身的需求。最常見的傳感器樣式要屬按鍵與滑桿。按鍵其實就是連接至控制器的大型導體片，其中所測得的電容值會與一連串的臨界值作比較，而測定結果也能藉由數字輸出獲得，或用其它模擬特性，以進一步感測觸動的壓力或手指面積。至于滑桿則是許多導體片以直線或放射狀排列所構成的。利用計算質心的算法就可以測定出接觸的位置，而且分辨率遠大于感測所用的針腳數。像按鍵或滑桿這類簡單的電容感測器，絕大多數都會采用銅片沉積至印刷電路板。然而也能使用其它基板材質與沈積媒介物制作電路，例如高導電性的銀墨（silver ink）。（如圖4） 　　動態使用者接口的按鍵或觸控區則可以任意配置其顯示器樣式。這類的顯示器擁有更為平順且直覺化的互動操作，創造更佳的使用者經驗。要建構這類系統比一般簡單的按鍵或滑桿更為復雜。投射式電容觸控屏幕在顯示器上多加了透明導電物質。這層導電表面利用沈積方式附著于玻璃或PET 薄膜這類基板上，并且連接至控制電路，接著再將此基板黏著于觸控表層與顯示器之間。觸發區域測定方式與滑桿相同。縱向與橫向的兩組滑桿相互交錯以覆蓋整個顯示區域，而且這兩個方向的滑桿會偵測觸動位置并且輸出x 軸與y 軸數據。由于投射式電容觸控屏幕上方還有一個覆蓋層，因此也保護屏幕不受直接沖擊、彎曲、環境因素影響等常見于傳統電阻式觸控屏幕的傷害。 　　近距傳感器基本上就是很大的按鍵。近距傳感器的目的并不在偵測導電物體的確切位置，而是物體是否在附近。由于不需知道物體確切位置，因此反應時間可以稍慢（3-4ms vs. 250us）。近距傳感器的靈敏度高很多；設計得當甚至可達30cm 的距離。也由于近距傳感器無須結合任何顯示圖形，因此在裝置中的擺放位置就有更多的彈性。無論是控制電路板外的銅線圈，或是覆蓋層后方的導線，都可以建置出非常基本且具成本效益的近距傳感器。（如圖5） 　　使用電容傳感器 　　電容傳感器的用途日益廣泛。上述傳感器的彈性、耐用、簡潔的特性已為許多設計人員創造了新的機會。基本的選單瀏覽和點選功能依然使用按鍵方式，但使用價格實惠的電位計這種具備模擬特性的按鍵，就能建置出更多簡單、具成本效益、可靠又安全的功能。 　　LG LA-N131DR 空氣清靜機在面板顯示器選單瀏覽的按鍵上中用了五個電容傳感器。這些按鍵讓設計人員可以設計出平順的機身，同時也具備使用者接口。電容式按鍵透過四毫米的玻璃偵測有無手指觸碰。 　　控制電路則建置在雙層印刷電路板上沒有傳感器的一面。LG 采用PSoC 混合訊號數組來控制傳感器，并且將狀態輸出至主要的裝置處理器上。（如圖6） 　　近距傳感器具備反應式背光功能，這主要是為了夜間操作或是安全因素考慮。這些情形多半需要更大的觸發組件，例如成人的手或是金屬罐子，才有辦法達到可控制的范圍。近距傳感器、按鍵、滑桿、甚至是觸控屏幕，都可利用PSoC 的單一處理器進行控制。韌體例程則可依照使用者輸入或主機命令進行狀態的更改。 　　為您創造電容感測應用 　　PSoC 混合訊號數組內含一個包含可組態的數字與模擬資源、閃存、RAM、8 位微控制器與其它多種功能的數組。這些特色讓PSoC 能在其CapSense 系列產品中實現創新的電容感測技術。運用PSoC的直覺式開發環境即可為裝置進行組態與重新組態，以符合設計規格或任何規格變更。新感測技術的出現提升了感測靈敏度與抗噪聲能力，并且減少功耗、增加升級速率，讓設計人員創造出更好的應用產品。