深入理解應用廣泛的QMatrix技術

　　該場的耦合受到觸摸的衰減，因為人體將會分流掉以電弧的方式通過前面板的一部分場線。所吸收的部分再通過各個電容通道被人體輻射回去。耦合通過電極結構的互電容的信號被收集到一個與驅動脈沖同步開關的采樣電容上(圖2)。利用一個脈沖串來改進信噪比，每個脈沖串中的脈沖數量還影響到電路的增益，因為脈沖數越多，收集的電荷將越多，則收集的信號越強。通過調整脈沖串的長度，可以方便地改變電路的增益，使之適合于各類按鍵尺寸，面板材料以及面板厚度。


圖2  Qmatrix雙斜率電路
　　脈沖串產生第一個斜坡-即加到采樣電容上面的梯形信號，經過電極誘導并通過交叉耦合進行充電。脈沖串過后，將斜率電阻置高電平，對采樣電容進行放電，直到將電荷放完而出現零交叉點為止。獲得零交叉點所需的斜坡時間取決于信號。該電路的雙斜坡特性保證了在很寬的工作溫度范圍內電路的極端穩定。

　　脈沖串過后，通過將斜率變換電阻置高電平，對采樣電容上的電荷進行轉換，通過檢測到零交叉點來產生計時器的值，其值正比于X-Y電極電荷耦合，也反映了手指觸摸所引起的電荷吸收。手指觸摸吸收電荷，故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上的斜坡，而斜率轉換則引起電容器的正向斜坡。其結果是導致轉換過程的雙斜坡，其并不依賴于采樣電容的值，在時間和溫度范圍內非常穩定。

　　抗潮濕：該矩陣方案提供了雙重潮濕抑制特性，這在任何其他容性解決方案中都不具備。首先，存在局部水膜(例如凝露，薄霧或水珠)將會引起耦合信號的略微減小。 由于觸摸將會使信號減小，由潮濕所引起的對信號耦合的貢獻將處于“錯誤”的方向上，因此而不影響錯誤檢測。其次，出現大片可能引開電荷的潮濕水膜時，則利用將電荷的捕獲限制到緊隨脈沖邊沿的一個窄小時間窗口之內的窄“門控”時間對其進行抑制。由于水膜的建模模型是一個依賴于時間的分布式RC網絡，該門控時間(微秒數量級或更短)大大抑制了水膜引起的信號潛在降低的影響。其結果，QMatrix電路從本質上抑制了水膜的影響，從而使其成為潮濕環境的理想選擇。

　　射頻干擾抑制：由于電極始終連接到一個低阻電路上，并且其電場是封閉的或者自屏蔽的，這對抑制外部干擾是非常關鍵的。 此外，所有的QMatrix器件都采用對抑制外部輻射和外部電場干擾非常有效的擴頻技術。由該技術構成的控制面板通過了場強大于20V/m的易受度例行測試。

矩陣布局設計

　　通過利用多條X驅動和Y接收線并將按鍵的電極設置到交叉點上來構成多鍵矩陣。依時間按順序掃描按鍵，并以相同的方式來掃描機電鍵盤。QMatrix電極能感應通過任何介電材料，如厚度可以高達50mm玻璃或塑料，具體取決于電極的大小和脈沖串長度(增益)的設置。

　　任意的按鍵尺寸和布局：按鍵的布置完全隨意，可以設置到面板的任意地方，并不一定要設置成圖示的矩形陣列。按鍵信號不交叉，故可以直接彼此相鄰。電極也能夠不受相鄰的接地金屬的影響，甚至可以將電極放置到機殼或接地面下方1毫米以內的位置。X和Y線都不受接地平面和相鄰導體的影響，不過Y線周邊過多的接地會吸收一些收到的電荷，從而引起增益降低，故對Y線的容性負載有一些實際限制。鍵盤的尺寸、形狀和布局幾乎都是完全任意的，鍵盤的不同尺寸和形狀在一個鍵盤面板上可以混用，可以按平面域20:1的系數改變。通過串口的指令可以對每個按鍵的靈敏度進行單獨設置。有關電極設計在量研集團的應用手冊AN-KD01有更詳細的討論。


圖3  QT6-系列 QMatrix的設計實例，其中采用的是便宜的單面CEM-1 PCB材料。感應場背對穿過PCB膠合層，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

　　材料選擇：該電極被定義為2部分交織的電極，可以使用任何導體材料，如PCB銅線或銀線以及碳墨。電極是最普遍的傳統PCB或FPCB，可以膠貼到控制面板的后面。由于信號足夠強并很可靠，故芯片、電路和電極都可以被布置到PCB的遠離觸摸平面的那一層上，所以可以采用非常便宜的單層沖壓型CEM-1 PCB，其價格通常比FR-4型便宜一半。如圖3所示，可以用0歐姆的跳線器來實現交叉，成本幾乎可以忽略不計。采用工業用膠將PCB粘接到前面板的背面。另一種節約成本的方法是采用具有沖孔并在兩面都有銀網的PET薄膠片來形成電極層。后來的方案是允許將膠片插入到具有QMatrix芯片和電路的控制器PCB中(圖4)。


圖4  利用銀線PET薄膜來實現QMatrix鍵盤。64個按鍵只需要16個互聯(8X + 8Y)