北京時(shí)間01月26日消息，中國(guó)觸摸屏網(wǎng)訊，    電容感應(yīng)板設(shè)計(jì)分層剖析

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    由于電容感應(yīng)技術(shù)對(duì)印刷電路板變動(dòng)、高頻雜訊和接地布置非常敏感，因此對(duì)研發(fā)人員來(lái)說(shuō)，如何設(shè)計(jì)出合格的電路板，一直是主要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。在各種常見應(yīng)用中，又以筆記型電腦的多媒體控制板(Multimedia Bar)的挑戰(zhàn)最為艱鉅，因?yàn)槠渫庥^形狀多為狹長(zhǎng)形，特別容易受到藕合現(xiàn)象影響。因此，本文選擇以多媒體控制板為例，說(shuō)明其PCB設(shè)計(jì)基本原理，讀者可以舉一反三，將這些基本原理應(yīng)用到其他不同形狀的介面設(shè)計(jì)工作。 

    在進(jìn)行基板設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)先了解以下幾項(xiàng)基板需求定義，如感應(yīng)控制器數(shù)量、是否要採(cǎi)用滑桿或旋輪設(shè)計(jì)、有多少按鍵須搭配LED等。其他如系統(tǒng)的電源供應(yīng)電壓、模組外觀設(shè)計(jì)(尺寸、感應(yīng)板大小、PCB上的LED光源孔面積等)、表面材質(zhì)、是否要實(shí)作接近偵測(cè)功能及有無(wú)間歇性雜訊源等，也都會(huì)影響整個(gè)觸控板的效能表現(xiàn)。 

    圖5為一個(gè)典型的筆記型電腦多媒體控制板設(shè)計(jì)以及其按鍵配置狀況，圖6則為此一控制板的垂直剖面圖。

圖5:典型的筆記型電腦多媒體控制板外觀設(shè)計(jì)
圖6:多媒體控制板垂直剖面圖(以4層板為例)

    根據(jù)雜散電容(Ci)的公式Ci=ε０εr A/d，當(dāng)層板間的距離(d)變短，則雜散電容增加，使得系統(tǒng)能的雜訊狀況惡化，因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能拉長(zhǎng)接地層與感應(yīng)器層間的距離，以確保感應(yīng)板處于低雜散電容狀態(tài)。

    以使用FR4材質(zhì)，厚度為1.6毫米的PCB為例，其中心層(Core)厚度是1毫米，從浸膠體層(Prepreg)是0.3毫米。若設(shè)計(jì)人員將接地層部署在中心層，則其雜散電容值將對(duì)感應(yīng)板的效能帶來(lái)相當(dāng)嚴(yán)酷的衝擊。最好的配置法應(yīng)將感應(yīng)器配置在頂層，而接地層配置在最底層。考量PCB板為四層板，建議作法如如圖7。

圖7:建議四層板布線圖

    除了將感應(yīng)器與接地層做適當(dāng)?shù)母綦x外，感應(yīng)器走線時(shí)亦應(yīng)盡可能使用最小線寬，以降低雜散電容。電源和接地可以20～30密耳(mil)寬度走線，如此可以幫助電源和接地層降低PCB大小。 

    而在走線方式上，不建議讓感應(yīng)器走線出現(xiàn)長(zhǎng)距離并行的情況，因?yàn)檫@種作法很容易形成藕合現(xiàn)象，讓感應(yīng)器受到額外的雜訊干擾。最理想的走線應(yīng)採(cǎi)取垂直走線，但考量到多媒體控制板均為狹長(zhǎng)形，因此在設(shè)計(jì)實(shí)務(wù)上，長(zhǎng)距離并行走線往往是無(wú)可避免的。若萬(wàn)不得已必須并行，至少要拉開兩倍走線寬度的距離。 

    在電路板頂層(圖8)，建議設(shè)計(jì)人員最好只配置感應(yīng)器板，感應(yīng)器板之間的區(qū)域可以填以網(wǎng)狀地線，但假如有感應(yīng)表面層覆蓋，就不要做網(wǎng)狀地線。感應(yīng)器與網(wǎng)狀地線間，間距須至少保持20密耳以上。

圖8:電路板頂層感應(yīng)器板設(shè)計(jì)

    在電路板的第二層，應(yīng)避免放置接地層或電源層，因?yàn)檫@種作法會(huì)大大地增加感應(yīng)器板的雜散電容。所以建議設(shè)計(jì)人員可能讓此層保持閒置，若因基板空間限制，必須利用這層板面積時(shí)，可以放置感應(yīng)器板的走線，若本層還存在其他非感應(yīng)器板的走線線路，須注意應(yīng)以垂直于感應(yīng)器板走線的方式布線，以減小訊號(hào)干擾或交連(Cross Connect)。 

    電路板的第三層則是主要感應(yīng)器板的布線層。位于頂層的感應(yīng)器板經(jīng)過(guò)垂直穿孔(Via)連接到此層，此連結(jié)孔應(yīng)放在感應(yīng)器范圍內(nèi)。 

    電路板的第四層則是所有訊號(hào)連結(jié)線的布線層，線路應(yīng)部署在遠(yuǎn)離感應(yīng)訊號(hào)區(qū)域，以避免快速的升、降緣訊號(hào)影響感應(yīng)器的感測(cè)作業(yè)。將訊號(hào)線路部署在底層，有兩個(gè)合理的理由：首先，在電路板底層有網(wǎng)狀接地線，可協(xié)助降低/抑制雜訊。

    此外，切換訊號(hào)也是影響電容感應(yīng)的潛在干擾源之一，宜適當(dāng)?shù)馗綦x開來(lái)，以降低切換訊號(hào)干擾到感應(yīng)訊號(hào)。 

    在接地層設(shè)計(jì)部分，除了應(yīng)避免接地層造成感應(yīng)器雜散電容增加外，接地層也會(huì)因?yàn)樵黾与妶?chǎng)對(duì)地藕合，導(dǎo)致感應(yīng)靈敏度降低。因此，建議設(shè)計(jì)人員應(yīng)採(cǎi)用網(wǎng)狀接地層取代一般接地層，因?yàn)榫W(wǎng)狀接地層有較「輕」的電場(chǎng)藕合，并可提供適當(dāng)?shù)碾娙莞袘?yīng)。網(wǎng)狀接地層的參考設(shè)計(jì)作法如圖9。接地層的銅箔線寬度可為5密耳，彼此間的間隔則為30密耳。

圖9:網(wǎng)狀接地層參考作法

    除了感應(yīng)PCB板設(shè)計(jì)外，設(shè)計(jì)人員也可在感應(yīng)晶片的參考電容接腳(CREF Pin)添加電容，以濾除雜訊并增加穩(wěn)定度。此電容如同濾波器般，可改善感應(yīng)偵測(cè)，提升參考阻抗隱定度，電容器的誤差不會(huì)衝擊運(yùn)作模式。

    滑桿/旋輪式感應(yīng)器設(shè)計(jì)技巧揭密

    電容感應(yīng)技術(shù)的一大特性之一，在于可自由地設(shè)計(jì)按鍵的形狀與大小，讓產(chǎn)品的外觀更有時(shí)尚感。但感應(yīng)器板的厚度和材質(zhì)，仍會(huì)影響感應(yīng)器的靈敏度。大區(qū)域面積的感應(yīng)器有較佳靈敏度，但設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行印刷電路板布局時(shí)，仍應(yīng)注意在在感應(yīng)器板之間，應(yīng)至少對(duì)周邊接地層保留20密耳間距。 

    有鑑于目前市場(chǎng)特別青睞滑桿與旋輪按鈕的設(shè)計(jì)風(fēng)格，筆者以下將探討實(shí)作此一設(shè)計(jì)的架構(gòu)與注意要點(diǎn)。 

    雖然在外觀和操作感覺(jué)上，滑桿和旋鈕有很大的差別，但從電容感應(yīng)技術(shù)實(shí)作的觀點(diǎn)，滑桿和旋鈕其實(shí)是同一類型的特殊按鍵，亦即帶有解析度的特殊按鍵。設(shè)計(jì)人員可以用虛位式(Psedo Position)或比例量測(cè)式(Ratiometric)的技巧來(lái)實(shí)現(xiàn)這類特殊按鈕。 

    虛位式(圖10)的設(shè)計(jì)技巧是指，設(shè)計(jì)人員故意將感應(yīng)鍵之間的距離拉近，當(dāng)使用者的手指觸碰時(shí)，只有訊號(hào)最強(qiáng)的感應(yīng)鍵被認(rèn)定為真正的手指位置。假如設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了n個(gè)感應(yīng)鍵，則最大的位置分辦可以達(dá)到n+(n-1)個(gè)不同位置。

圖10:虛位式滑桿/旋鈕設(shè)計(jì)

    比例量測(cè)式技巧(圖11)則可感應(yīng)手指在活動(dòng)區(qū)移動(dòng)時(shí)的精確位置。精確的位置可由使用者對(duì)滑桿鍵的碰觸所造成的阻抗改變而計(jì)算出。因此，設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的滑桿區(qū)段大小應(yīng)小到當(dāng)手指碰觸時(shí)，可以有重疊區(qū)，對(duì)于所感應(yīng)的表層范圍，盡量控制到足夠大，大到可以有適當(dāng)?shù)撵`敏度。

圖11:比例量測(cè)式滑桿和旋鈕

    為了能有穩(wěn)定和精確的偵測(cè)，滑桿相鄰的感應(yīng)鍵應(yīng)盡可能的遠(yuǎn)，以保持各個(gè)感應(yīng)鍵的阻抗各自獨(dú)立。

    整體來(lái)說(shuō)，滑桿和旋鈕的感應(yīng)基礎(chǔ)在于阻抗值的變化，因此設(shè)計(jì)人員須力求外部雜訊干擾最小化，同時(shí)注意將雜散電容保持在低水準(zhǔn)，因?yàn)殡s散電容會(huì)降低這類特殊按鈕的效能。

    按鍵型態(tài)花樣百出　萬(wàn)變不離基本原則

    電容式觸控按鍵已有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，從早期的家電產(chǎn)品到近期資訊娛樂(lè)產(chǎn)品，均為其應(yīng)用市場(chǎng)。特別是在進(jìn)入產(chǎn)品生命週期較短的資訊娛樂(lè)產(chǎn)品領(lǐng)域后，許多工程人員與產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的巧思，均讓這項(xiàng)已經(jīng)有多年歷史的新技術(shù)有了不同的應(yīng)用風(fēng)貌。 

    但在這些創(chuàng)意設(shè)計(jì)背后，確保觸控感應(yīng)精準(zhǔn)度與效能的基本原則并未改變，只要按照本文所指出的基本電容式感應(yīng)技術(shù)原理與設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)進(jìn)行，相信讀者們均可設(shè)計(jì)出創(chuàng)意與效能兼具的新一代觸控介面。