深入理解应用广泛的QMatrix技术

　　该场的耦合受到触摸的衰减，因为人体将会分流掉以电弧的方式通过前面板的一部分场线。所吸收的部分再通过各个电容通道被人体辐射回去。耦合通过电极结构的互电容的信号被收集到一个与驱动脉冲同步开关的采样电容上(图2)。利用一个脉冲串来改进信噪比，每个脉冲串中的脉冲数量还影响到电路的增益，因为脉冲数越多，收集的电荷将越多，则收集的信号越强。通过调整脉冲串的长度，可以方便地改变电路的增益，使之适合于各类按键尺寸，面板材料以及面板厚度。


图2  Qmatrix双斜率电路
　　脉冲串产生第一个斜坡-即加到采样电容上面的梯形信号，经过电极诱导并通过交叉耦合进行充电。脉冲串过后，将斜率电阻置高电平，对采样电容进行放电，直到将电荷放完而出现零交叉点为止。获得零交叉点所需的斜坡时间取决于信号。该电路的双斜坡特性保证了在很宽的工作温度范围内电路的极端稳定。

　　脉冲串过后，通过将斜率变换电阻置高电平，对采样电容上的电荷进行转换，通过检测到零交叉点来产生计时器的值，其值正比于X-Y电极电荷耦合，也反映了手指触摸所引起的电荷吸收。手指触摸吸收电荷，故被测信号随着触摸而减小。在脉冲串阶段引起采样电容上的电荷形成负向上的斜坡，而斜率转换则引起电容器的正向斜坡。其结果是导致转换过程的双斜坡，其并不依赖于采样电容的值，在时间和温度范围内非常稳定。

　　抗潮湿：该矩阵方案提供了双重潮湿抑制特性，这在任何其他容性解决方案中都不具备。首先，存在局部水膜(例如凝露，薄雾或水珠)将会引起耦合信号的略微减小。 由于触摸将会使信号减小，由潮湿所引起的对信号耦合的贡献将处于“错误”的方向上，因此而不影响错误检测。其次，出现大片可能引开电荷的潮湿水膜时，则利用将电荷的捕获限制到紧随脉冲边沿的一个窄小时间窗口之内的窄“门控”时间对其进行抑制。由于水膜的建模模型是一个依赖于时间的分布式RC网络，该门控时间(微秒数量级或更短)大大抑制了水膜引起的信号潜在降低的影响。其结果，QMatrix电路从本质上抑制了水膜的影响，从而使其成为潮湿环境的理想选择。

　　射频干扰抑制：由于电极始终连接到一个低阻电路上，并且其电场是封闭的或者自屏蔽的，这对抑制外部干扰是非常关键的。 此外，所有的QMatrix器件都采用对抑制外部辐射和外部电场干扰非常有效的扩频技术。由该技术构成的控制面板通过了场强大于20V/m的易受度例行测试。

矩阵布局设计

　　通过利用多条X驱动和Y接收线并将按键的电极设置到交叉点上来构成多键矩阵。依时间按顺序扫描按键，并以相同的方式来扫描机电键盘。QMatrix电极能感应通过任何介电材料，如厚度可以高达50mm玻璃或塑料，具体取决于电极的大小和脉冲串长度(增益)的设置。

　　任意的按键尺寸和布局：按键的布置完全随意，可以设置到面板的任意地方，并不一定要设置成图示的矩形阵列。按键信号不交叉，故可以直接彼此相邻。电极也能够不受相邻的接地金属的影响，甚至可以将电极放置到机壳或接地面下方1毫米以内的位置。X和Y线都不受接地平面和相邻导体的影响，不过Y线周边过多的接地会吸收一些收到的电荷，从而引起增益降低，故对Y线的容性负载有一些实际限制。键盘的尺寸、形状和布局几乎都是完全任意的，键盘的不同尺寸和形状在一个键盘面板上可以混用，可以按平面域20:1的系数改变。通过串口的指令可以对每个按键的灵敏度进行单独设置。有关电极设计在量研集团的应用手册AN-KD01有更详细的讨论。


图3  QT6-系列 QMatrix的设计实例，其中采用的是便宜的单面CEM-1 PCB材料。感应场背对穿过PCB胶合层，其信号强度集中在前面板方向上。使用0欧姆的跳线器作为交叉

　　材料选择：该电极被定义为2部分交织的电极，可以使用任何导体材料，如PCB铜线或银线以及碳墨。电极是最普遍的传统PCB或FPCB，可以胶贴到控制面板的后面。由于信号足够强并很可靠，故芯片、电路和电极都可以被布置到PCB的远离触摸平面的那一层上，所以可以采用非常便宜的单层冲压型CEM-1 PCB，其价格通常比FR-4型便宜一半。如图3所示，可以用0欧姆的跳线器来实现交叉，成本几乎可以忽略不计。采用工业用胶将PCB粘接到前面板的背面。另一种节约成本的方法是采用具有冲孔并在两面都有银网的PET薄胶片来形成电极层。后来的方案是允许将胶片插入到具有QMatrix芯片和电路的控制器PCB中(图4)。


图4  利用银线PET薄膜来实现QMatrix键盘。64个按键只需要16个互联(8X + 8Y)