- QMatrix理論與方案簡介
- 按鍵矩陣布局和設計
- 按鍵材料選擇與設計故障診斷
- QMatrix 應用技術說明
- 電場的耦合強度因人手觸摸而衰減
- 通過電極的互電容耦合信號檢測出交叉點
相比其它形式的電容感測，量研科技集團(愛特梅爾公司于 2008年收購了量研科技集團) 所開發(fā)的專利電荷轉(zhuǎn)移 (QT) 感測技術更穩(wěn)定，而且它對電磁干擾，以及極端及突變溫度濕度都具有更強的耐受能力。
QMatrix™ 器件采用簡單的橫模 (transverse-mode) 電極結(jié)構(gòu)，可為按鍵數(shù)量較多的應用提供觸摸控制。QSlide™ 則用于輔助線性滑塊類控制，如調(diào)節(jié)音量和溫度；而 QWheel™ 運用一種不同的控制布局，實現(xiàn)如 iPod 觸摸撥輪 (click-wheel)一類的撥輪式面板。QMatrix 可以利用其 3 個感測信道進行配置，實現(xiàn)觸摸滑塊或撥輪控制。如今，基于 QMatrix 的控制功能已被集成到量研科技集團的許多標準產(chǎn)品中。此外，定制型款 QMatrix 還提供集成各種串口和附加功能，可用于家用電器、手機、筆記本電腦，以及許多其它消費電子設備等應用。
QMatrix理論
每一感測電極對包含一個電場驅(qū)動電極和一個接收電極 (圖1)。驅(qū)動發(fā)射電極產(chǎn)生一個猝發(fā)式邏輯脈沖串，接收電極則通過覆蓋在上面的介質(zhì)前面板來收集由發(fā)射電極輻射出來的大部分電荷。
圖1 ：兩個電極之間的 QMatrix 場流。觸摸可吸收該電場，導致所收集的電荷減少。
電場的耦合強度會因人手觸摸而衰減，因為人體將會以電弧的方式導開通過前面板的一部分場線，而所吸收的部分再通過各種電容通道被人體重新輻射回去。[page]
圖2：Qmatrix 雙斜率電路
通過電極結(jié)構(gòu)的互電容耦合信號，會被收集到一個與驅(qū)動脈沖同步開關的采樣電容上 (圖2)。該技術還利用了一個脈沖串來提高信噪比。每個脈沖串中的脈沖數(shù)量還影響到電路的增益，因為脈沖數(shù)越多，收集的電荷將越多，因而收集的信號越強。通過調(diào)整脈沖串的長度，可以輕易改變電路的增益，使之能配合于不同按鍵尺寸，面板材料和面板厚度。
脈沖串產(chǎn)生第一個斜率，那就是施加到采樣電容上的一個階梯電壓，便會經(jīng)過電極電荷交叉耦合進行充電。脈沖串結(jié)束后，斜率電阻被置為高電平，對采樣電容進行放電，直到將電荷放完而出現(xiàn)零交叉點為止，而達到零交叉點所需的斜率時間長短就作為觸摸信號。該電路的雙斜率特性使得電路在很寬的工作溫度范圍內(nèi)維持極高穩(wěn)定性。
脈沖串過后，通過將斜率轉(zhuǎn)換電阻置于高電平，對采樣電容上的電荷進行轉(zhuǎn)換，并檢測出零交叉點，從而得到X-Y 電極電荷耦合成正比的定時器數(shù)值，該數(shù)值同時反映了手指觸摸所引起的電荷吸收。由于手指觸摸吸收電荷，因此被測信號隨著觸摸而減小。在脈沖串階段引起采樣電容上的電荷形成負向的斜率，而斜率轉(zhuǎn)換則引起電容器的正向斜率，其實際結(jié)果是轉(zhuǎn)換過程成為“雙斜率”，而且基本不依賴于采樣電容值，在時間和溫度范圍內(nèi)也非常穩(wěn)定。
矩陣方案提供了潮濕抑制特性，這是其它電容性解決方案所缺的。首先，局部水膜 (如凝露、薄霧或水珠)只會引起耦合信號的略微增加。由于觸摸致使信號減小，而由潮濕所引起的對信號耦合的影響則剛好相反，因此不會造成錯誤檢測。其次，對于可能引走電荷的大片潮濕水膜，則可利用一個窄小的 “門控”時間，將電荷捕獲限制在緊隨脈沖邊沿的一段短時間內(nèi)，從而抑制電荷流失。由于水膜可形成一個依賴于時間的分布式RC 網(wǎng)絡，窄門控時間 (微秒級或更短) 大大抑制了由水膜引起信號減小的影響，進一步降低錯檢的機會。因此，QMatrix 電路從本質(zhì)上抑制了水膜的影響，非常適合應用于潮濕的環(huán)境。
由于電極始終連接在一個低阻電路上，并且其電場是封閉和自屏蔽的，因此外部干擾對感應按鍵的影響不大。此外，所有 QMatrix 器件都采用展頻 (spread-spectrum) 技術，有效抑制外部輻射和外部電場干擾，并多次通過了場強大于20V/m 的易受度例行測試。[page]
矩陣布局和設計
利用多條 X 驅(qū)動和 Y 接收線并將按鍵電極設置到交叉點上構(gòu)成的多鍵矩陣，鍵盤按鍵會如機電鍵盤般按時順序掃描。QMatrix 電極可以感測任何介電材料，如厚度高達 50mm 的玻璃或塑料，取決于電極的大小和脈沖串長度 (增益) 的設置。
按鍵的布置完全隨意，可以設置到面板的任意地方，并不一定要設置成本文所示的矩形陣列。由于按鍵信號不會交叉干擾，故即使是彼此相鄰放置也沒有問題。
電極也不受相鄰的接地金屬的影響，甚至可以將電極放置到距離機殼或接地面1 毫米以內(nèi)的位置。
X 和 Y 線都絕對不受接地面和相鄰導體的影響，不過，Y 線周邊過多的接地線會吸收一些收集電荷，從而降低增益，故 Y 線的電容性負載須有一些實際限制。鍵盤尺寸、形狀和布局幾乎都是完全任意的，不同尺寸和形狀的按鍵在一個鍵盤面板上可以混用，并可以按表面區(qū)域 20:1 的系數(shù)改變。每個按鍵可以通過串口的指令進行靈敏度的單獨設置。有關電極設計在量研科技集團的應用手冊 AN-KD01 中有更詳細的討論。
材料選擇
電極被定義為 2 部分交織的電極，可以使用任何導體，如 PCB 銅線或銀線以及碳墨。電極是最普遍的傳統(tǒng) PCB 或FPCB，可以膠粘到控制面板的后面。由于信號足夠強并很可靠，故芯片、電路和電極都可以放置到 PCB 遠離觸摸表面的同一側(cè)上，所以可以采用非常便宜的單面沖壓型 CEM-1 PCB，其價格通常比 FR-4 型便宜一半。
圖4：QT6 系列 QMatrix 設計示例。設計采用廉價的單面 CEM-1 PCB 材料，感測電場背對穿過 PCB 、膠層和前面板，其信號強度集中在前面板方向上，使用0 歐姆的跳線器作為交叉。[page]
如圖 4 所示，可以使用成本極低的 0 歐姆跳線器來實現(xiàn)交叉，再采用工業(yè)用膠貼將 PCB 粘接到前面板的背面。另一種節(jié)約成本的方法是采用具有沖孔并在兩面都有銀網(wǎng)的 PET 薄膜來制作矩陣電極層。薄膜上有一接線，以便將薄膜插入到具有 QMatrix 芯片和電路的控制器 PCB 中 (圖5)。
圖5： 利用 PET 薄膜上的銀線來實現(xiàn)的 QMatrix 鍵盤，這個 64 鍵布局只需要 16 個互聯(lián) (8X + 8Y線)。
齊全的內(nèi)部信號處理
QMatrix 芯片含有所有的信號濾波，防反跳邏輯，以及自動漂移補償電路，以令芯片能達致幾十年可靠工作壽命。器件中有許多包括失效模式和影響分析 (Failure Modes and Effects Analysis, FMEA) 自檢子程序，報告任何類型的電路故障，例如用于故障安全 (fail-safe) 操作引起的的短路和開路，從而使得這些器件特別適合于廚房和汽車應用。
設計故障診斷
QMatrix 器件還有一個獨一無二的特性，即能夠?qū)崟r地將實際的鍵盤信號和診斷信號通過 USB 接口發(fā)送到任意一臺電腦上，然后使用 QmBtn 軟件進行觀察分析。QmBtn 軟件可以從量研科技集團的網(wǎng)站上免費下載，設計人員能夠?qū)崟r觀察按鍵信號的能力，增添了產(chǎn)品設計的信心。
發(fā)光和背光按鍵始終都是設計人員興趣所在。只需在 PCB 上開個口，并將驅(qū)動/接收電極環(huán)繞表面貼裝的 LED 及其焊盤和連線，即可把多個 LED 放置到QMatrix 鍵盤的中央。這種設計甚至可在單面 PCB 上實現(xiàn)。如在 PET 薄膜這類的清晰透明基片上印刷，則可采用來自 Agfa N.V 的 Orgacon™ 以及可印刷的 ITO 材料來實現(xiàn)清晰的背光分離按鍵。再用透明的薄粘貼膠膜，將 PET 薄膜粘合到前面板的背面，這樣置于這一層后面帶有LED 的 PCB 便能產(chǎn)生所需的背光。采用光導和散光罩可以實現(xiàn)更好的背旋旋旋旋光性能。
圖6：QMatrix 按鍵和觸摸屏的一體式設計，利用一片 QT6 單芯片同時驅(qū)動 PCB 電極以及 ITO 薄膜上的鍵盤。
利用特制型款的 QMatrix 器件，還可驅(qū)動由 PET 薄膜上的 1 或 2 層銦錫氧化物 (Indium Tin Oxide, ITO) 制成的透明電容式觸控屏幕 (見圖6)。利用一片 QMatrix 芯片可以兼容驅(qū)動傳統(tǒng)的鍵盤和觸摸屏兩種鍵盤，從而可以實現(xiàn)與整個前面板主處理器的無縫接口。將 ITO 膜連接到掃描矩陣，就可在 LCD 顯示器實現(xiàn)許多分離按鍵。Whirlpool Velos™ 微波爐在一層固態(tài)的、完整的玻璃后面采用了這一方法，實現(xiàn)了獨特的設計。用這種方式實現(xiàn)的觸摸屏不可能損壞，并具有比阻性屏更高的透明度。[page]
由于電極間的電場的封閉特性，這類器件不大適用于接近式感測設計，除非采用間隔距離較遠的大電極，使場線能夠輻射到面板前方的自由空間。QTouch 器件往往可以更好地實現(xiàn)遠距離的接近式感測，因為其場線能夠更好地輻射到自由空間。另一方面，與 QTouch 技術不一樣，QMatrix 電極更能容忍與接地面以及附近其他印制導線之間的雜散電容的存在。
器件技術說明
Quantum QT6xxxx 系列的器件都是 QMatrix IC，用的幾乎都是同一器件，即 QT60645，使用雙斜率捕獲方法可以實現(xiàn)的鍵盤數(shù)量從 16 到 64。器件編號中間的 3 位代表器件的鍵盤數(shù)量，而末位數(shù)字則代表變更碼。QT60160 和 QT60240 是專門為低成本應用設計的，不過沒有安全自檢 (FMEA) 功能，所以非常適用于像MP3 和手機這類便攜式應用，以及像洗衣機這類的非廚房類應用。這兩種器件都采用 I2C 接口，而非其他絕大多數(shù)的 Q 系列中使用的 SPI 接口。
所有 QMatrix 器件都采用 AKS™ (Adjacent Key Suppression™) 專利技術。該技術允許將所有按鍵都密集地布置到鍵盤上，并對來自同時被觸摸的各鍵的信號進行信號強度分析，從而解決了由于手指觸摸在多按鍵交疊位置時引發(fā)的模糊觸摸問題。該技術還可以支持便攜式設備 (例如手機) 的“頭部和口袋誤觸摸檢測”，避免在設備使用時碰觸頭部；或者在口袋里引發(fā)誤觸摸。實現(xiàn)的方法是在鍵盤附近策略地安置了“保護鍵”，當保護鍵被觸發(fā)后，可以鎖住任何一個鍵或者所有鍵，以防止誤觸摸。此外，AKS 技術還可以用來防止水膜在面板表面的影響。
超過一半的 QMatrix 器件都可以定制，來滿足特定的應用。定制過程很簡單，因為這些芯片都內(nèi)含帶有閃存的微控制器。在量研科技的零件表中，從“QT6C”開始往后的都是定制器件，這些在量研公司的網(wǎng)站上沒有詳細介紹。
QMatrix 應用
圖7：Whirlpool Velos 微波爐采用單芯片 QMatrix 來驅(qū)動 21 個傳統(tǒng)的觸摸按鍵，以及構(gòu)成 LCD 觸摸屏的 10 個透明式 ITO 薄膜式按鍵。該設計采用了單層 CEM-1 PCB，成本很低。
自從1999 年研發(fā)出來后，QMatrix 器件的主要應用集中在廚房領域，主要的客戶包括惠而浦、美諾 (Miele) 和伊萊克斯 (Electrolux)。產(chǎn)品主要是按鍵數(shù)量較多的器件，例如 QT60326 或其他定制器件。自 Whirlpool Velos Speedcook 微波爐 (見圖7) 采用 QT6 系列的器件后，業(yè)界對觸摸屏的興趣大增。從此，大量采用該技術的觸摸屏設計開始進入市場。
QMatrix 器件已經(jīng)用于手機和其他便攜式應用設計中，其之所以成功，在于它相對于其他老式方案具有技術優(yōu)勢，并能減小封裝尺寸，而且能夠?qū)崿F(xiàn)較多的按鍵數(shù)量。此外，該技術還贏得了汽車領域中的設計，因它在極為惡劣的環(huán)境條件下仍具有工業(yè)級的穩(wěn)健性。
圖8 ：量研科技銷售 QMatrix 演示版如 E6240，為用戶提供該技術的評測手段。該評測板可以支持各種按鍵尺寸和布局，演示 QT6 系列器件的強大功能。QMatrix 演示版還可配合 QmBtn 軟件使用，以進行按鍵實時信號的全景視象化觀測。
由這種技術衍生的產(chǎn)品已用于實現(xiàn)線性滑塊、撥輪及 X-Y 觸控板。
QMatrix器件采用一個掃描式的橫向電極無源矩陣，實現(xiàn)了使用單芯片驅(qū)動的大量觸摸按鍵。這種構(gòu)造可提高感測芯片的引腳利用效率，較之于每個按鍵都需要一個感測連接 (如 Qtouch™ 及許多同類器件)，芯片和按鍵矩陣之間所需的連接數(shù)量較少。QMatrix 器件所需的部件最少，最大限度地降低了單個按鍵的成本。在量產(chǎn)時，此器件可以令芯片成本降至每按鍵 0.05 美元。此外，這種構(gòu)造本身就具有抵抗環(huán)境變化、水膜影響以及無線電干擾的特性。
QMatrix 電路具有極高的信噪比，極強的水膜抗擾性，極高的溫度穩(wěn)定性，優(yōu)異的低功率特性，易于布線，在給定的按鍵數(shù)量下 IC 封裝小?；谶@些原因，QMatrix 電路特別適用于汽車電子、廚房電器，乃至按鍵數(shù)量較少的各種應用如手機。
QMatrix 技術備有美國專利第 6,452,514 號及相應的外國專利保護，而且只能從量研科技或授權(quán)廠商處獲取。QMatrix 是英國QRG Ltd的注冊商標。
