中心議題：

• 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

解決方案：

• 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

在家電、xiaofeidianziheshoujiyingyongzhong
，chugankongzhizhengzaizhujianqudaijidiankaiguan。chuganjishudepujihuodedalituidong，yinweishejirenyuanrenshidao，chugankongzhikerangtamenshixianshishangdeduogongnengsheji
，congershixianchanpindechayihua，bingweizhongduanyonghuchuangzaogenggaodejiazhi。

相比其它形式的電容感測，量研科技集團(愛特梅爾公司於 2008年收購了量研科技集團) 所開發的專利電荷轉移 (QT) 感測技術更穩定
，而且它對電磁幹擾，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) 電極結構，可為按鍵數量較多的應用提供觸摸控製。QSlide™ 則用於輔助線性滑塊類控製
，如調節音量和溫度
；而 QWheel™ 運用一種不同的控製布局，實現如 iPod 觸摸撥輪 (click-wheel)一類的撥輪式麵板。QMatrix 可以利用其 3 個感測信道進行配置，實現觸摸滑塊或撥輪控製。如今，基於 QMatrix 的控製功能已被集成到量研科技集團的許多標準產品中。此外，定製型款 QMatrix 還提供集成各種串口和附加功能，可用於家用電器、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動電極和一個接收電極 (圖1)。驅動發射電極產生一個猝發式邏輯脈衝串，接收電極則通過覆蓋在上麵的介質前麵板來收集由發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dian場chang的de耦ou合he強qiang度du會hui因yin人ren手shou觸chu摸mo而er衰shuai減jian，因yin為wei人ren體ti將jiang會hui以yi電dian弧hu的de方fang式shi導dao開kai通tong過guo前qian麵mian板ban的de一yi部bu分fen場chang線xian，而er所suo吸xi收shou的de部bu分fen再zai通tong過guo各ge種zhong電dian容rong通tong道dao被bei人ren體ti重zhong新xin輻fu射she回hui去qu。[page]
                      
                                                                  圖2：Qmatrix 雙斜率電路

通過電極結構的互電容耦合信號
，會被收集到一個與驅動脈衝同步開關的采樣電容上 (圖2)。該gai技ji術shu還hai利li用yong了le一yi個ge脈mai衝chong串chuan來lai提ti高gao信xin噪zao比bi。每mei個ge脈mai衝chong串chuan中zhong的de脈mai衝chong數shu量liang還hai影ying響xiang到dao電dian路lu的de增zeng益yi，因yin為wei脈mai衝chong數shu越yue多duo，收shou集ji的de電dian荷he將jiang越yue多duo，因yin而er收shou集ji的de信xin號hao越yue強qiang。通tong過guo調tiao整zheng脈mai衝chong串chuan的de長chang度du，可ke以yi輕qing易yi改gai變bian電dian路lu的de增zeng益yi
，使shi之zhi能neng配pei合he於yu不bu同tong按an鍵jian尺chi寸cun
，麵mian板ban材cai料liao和he麵mian板ban厚hou度du。

脈mai衝chong串chuan產chan生sheng第di一yi個ge斜xie率lv，那na就jiu是shi施shi加jia到dao采cai樣yang電dian容rong上shang的de一yi個ge階jie梯ti電dian壓ya，便bian會hui經jing過guo電dian極ji電dian荷he交jiao叉cha耦ou合he進jin行xing充chong電dian。脈mai衝chong串chuan結jie束shu後hou
，斜xie率lv電dian阻zu被bei置zhi為wei高gao電dian平ping，對dui采cai樣yang電dian容rong進jin行xing放fang電dian
，直zhi到dao將jiang電dian荷he放fang完wan而er出chu現xian零ling交jiao叉cha點dian為wei止zhi
，而er達da到dao零ling交jiao叉cha點dian所suo需xu的de斜xie率lv時shi間jian長chang短duan就jiu作zuo為wei觸chu摸mo信xin號hao。該gai電dian路lu的de雙shuang斜xie率lv特te性xing使shi得de電dian路lu在zai很hen寬kuan的de工gong作zuo溫wen度du範fan圍wei內nei維wei持chi極ji高gao穩wen定ding性xing。

脈衝串過後，通過將斜率轉換電阻置於高電平，對采樣電容上的電荷進行轉換，並檢測出零交叉點，從而得到X-Y 電dian極ji電dian荷he耦ou合he成cheng正zheng比bi的de定ding時shi器qi數shu值zhi，該gai數shu值zhi同tong時shi反fan映ying了le手shou指zhi觸chu摸mo所suo引yin起qi的de電dian荷he吸xi收shou。由you於yu手shou指zhi觸chu摸mo吸xi收shou電dian荷he
，因yin此ci被bei測ce信xin號hao隨sui著zhe觸chu摸mo而er減jian小xiao。在zai脈mai衝chong串chuan階jie段duan引yin起qi采cai樣yang電dian容rong上shang的de電dian荷he形xing成cheng負fu向xiang的de斜xie率lv
，而er斜xie率lv轉zhuan換huan則ze引yin起qi電dian容rong器qi的de正zheng向xiang斜xie率lv，其qi實shi際ji結jie果guo是shi轉zhuan換huan過guo程cheng成cheng為wei“雙斜率”，而且基本不依賴於采樣電容值，在時間和溫度範圍內也非常穩定。

矩陣方案提供了潮濕抑製特性
，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)zhihuiyinqiouhexinhaodelveweizengjia。youyuchumozhishixinhaojianxiao，eryouchaoshisuoyinqideduixinhaoouhedeyingxiangzeganghaoxiangfan，yincibuhuizaochengcuowujiance。qici
，duiyukenengyinzoudianhededapianchaoshishuimo
，zekeliyongyigezhaixiaode “門控”時間
，將電荷捕獲限製在緊隨脈衝邊沿的一段短時間內
，從而抑製電荷流失。由於水膜可形成一個依賴於時間的分布式RC 網絡，窄門控時間 (微秒級或更短) 大大抑製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 電路從本質上抑製了水膜的影響，非常適合應用於潮濕的環境。

由於電極始終連接在一個低阻電路上，並且其電場是封閉和自屏蔽的，因此外部幹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，有效抑製外部輻射和外部電場幹擾，並多次通過了場強大於20V/m 的易受度例行測試。[page]
                           
矩陣布局和設計

利用多條 X 驅動和 Y 接收線並將按鍵電極設置到交叉點上構成的多鍵矩陣
，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
，取決於電極的大小和脈衝串長度 (增益) 的設置。

按an鍵jian的de布bu置zhi完wan全quan隨sui意yi，可ke以yi設she置zhi到dao麵mian板ban的de任ren意yi地di方fang，並bing不bu一yi定ding要yao設she置zhi成cheng本ben文wen所suo示shi的de矩ju形xing陣zhen列lie。由you於yu按an鍵jian信xin號hao不bu會hui交jiao叉cha幹gan擾rao，故gu即ji使shi是shi彼bi此ci相xiang鄰lin放fang置zhi也ye沒mei有you問wen題ti。

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麵1 毫米以內的位置。

X 和 Y 線都絕對不受接地麵和相鄰導體的影響，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製。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麵板上可以混用，並可以按表麵區域 20:1 的係數改變。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 PCB 或FPCB
，可以膠粘到控製麵板的後麵。由於信號足夠強並很可靠，故芯片

、電路和電極都可以放置到 PCB 遠離觸摸表麵的同一側上，所以可以采用非常便宜的單麵衝壓型 CEM-1 PCB，其價格通常比 FR-4 型便宜一半。
       
圖4：QT6 係列 QMatrix 設計示例。設計采用廉價的單麵 CEM-1 PCB 材料，感測電場背對穿過 PCB 
、膠層和前麵板，其信號強度集中在前麵板方向上，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 歐姆跳線器來實現交叉，再采用工業用膠貼將 PCB 粘接到前麵板的背麵。另一種節約成本的方法是采用具有衝孔並在兩麵都有銀網的 PET 薄膜來製作矩陣電極層。薄膜上有一接線
，以便將薄膜插入到具有 QMatrix 芯片和電路的控製器 PCB 中 (圖5)。
                      
       圖5： 利用 PET 薄膜上的銀線來實現的 QMatrix 鍵盤，這個 64 鍵布局隻需要 16 個互聯 (8X + 8Y線)。

齊全的內部信號處理

QMatrix 芯xin片pian含han有you所suo有you的de信xin號hao濾lv波bo，防fang反fan跳tiao邏luo輯ji，以yi及ji自zi動dong漂piao移yi補bu償chang電dian路lu，以yi令ling芯xin片pian能neng達da致zhi幾ji十shi年nian可ke靠kao工gong作zuo壽shou命ming。器qi件jian中zhong有you許xu多duo包bao括kuo失shi效xiao模mo式shi和he影ying響xiang分fen析xi (Failure Modes and Effects Analysis, FMEA) 自檢子程序，報告任何類型的電路故障
，例如用於故障安全 (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於廚房和汽車應用。

設計故障診斷
QMatrix 器件還有一個獨一無二的特性，即能夠實時地將實際的鍵盤信號和診斷信號通過 USB 接口發送到任意一台電腦上，然後使用 QmBtn 軟件進行觀察分析。QmBtn 軟件可以從量研科技集團的網站上免費下載，設計人員能夠實時觀察按鍵信號的能力
，增添了產品設計的信心。

發光和背光按鍵始終都是設計人員興趣所在。隻需在 PCB 上開個口
，並將驅動/接收電極環繞表麵貼裝的 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麵 PCB 上實現。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 薄膜粘合到前麵板的背麵
，這樣置於這一層後麵帶有LED 的 PCB 便能產生所需的背光。采用光導和散光罩可以實現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 單芯片同時驅動 PCB 電極以及 ITO 薄膜上的鍵盤。

利用特製型款的 QMatrix 器件
，還可驅動由 PET 薄膜上的 1 或 2 層銦錫氧化物 (Indium Tin Oxide, ITO) 製成的透明電容式觸控屏幕 (見圖6)。利用一片 QMatrix 芯片可以兼容驅動傳統的鍵盤和觸摸屏兩種鍵盤，從而可以實現與整個前麵板主處理器的無縫接口。將 ITO 膜連接到掃描矩陣，就可在 LCD 顯示器實現許多分離按鍵。Whirlpool Velos™ 微波爐在一層固態的
、完整的玻璃後麵采用了這一方法，實現了獨特的設計。用這種方式實現的觸摸屏不可能損壞，並具有比阻性屏更高的透明度。[page]

youyudianjijiandedianchangdefengbitexing
，zheleiqijianbudashiyongyujiejinshigancesheji
，chufeicaiyongjiangejulijiaoyuandedadianji
，shichangxiannenggoufushedaomianbanqianfangdeziyoukongjian。QTouch 器件往往可以更好地實現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。另一方麵，與 QTouch 技術不一樣，QMatrix 電極更能容忍與接地麵以及附近其他印製導線之間的雜散電容的存在。

器件技術說明

Quantum QT6xxxx 係列的器件都是 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的鍵盤數量從 16 到 64。器件編號中間的 3 位代表器件的鍵盤數量，而末位數字則代表變更碼。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，所以非常適用於像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，而非其他絕大多數的 Q 係列中使用的 SPI 接口。

所有 QMatrix 器件都采用 AKS™ (Adjacent Key Suppression™) zhuanlijishu。gaijishuyunxujiangsuoyouanjiandoumijidibuzhidaojianpanshang，bingduilaizitongshibeichumodegejiandexinhaojinxingxinhaoqiangdufenxi，congerjiejueleyouyushouzhichumozaiduoanjianjiaodieweizhishiyinfademohuchumowenti。gaijishuhaikeyizhichibianxieshishebei (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
；或者在口袋裏引發誤觸摸。實現的方法是在鍵盤附近策略地安置了“保護鍵”

，當保護鍵被觸發後，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麵板表麵的影響。

超過一半的 QMatrix 器件都可以定製，來滿足特定的應用。定製過程很簡單，因為這些芯片都內含帶有閃存的微控製器。在量研科技的零件表中，從“QT6C”開始往後的都是定製器件，這些在量研公司的網站上沒有詳細介紹。

QMatrix 應用
                    
圖7：Whirlpool Velos 微波爐采用單芯片 QMatrix 來驅動 21 個傳統的觸摸按鍵，以及構成 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 年研發出來後，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)。產品主要是按鍵數量較多的器件

，例如 QT60326 或其他定製器件。自 Whirlpool Velos Speedcook 微波爐 (見圖7) 采用 QT6 係列的器件後
，業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qi件jian已yi經jing用yong於yu手shou機ji和he其qi他ta便bian攜xie式shi應ying用yong設she計ji中zhong，其qi之zhi所suo以yi成cheng功gong，在zai於yu它ta相xiang對dui於yu其qi他ta老lao式shi方fang案an具ju有you技ji術shu優you勢shi
，並bing能neng減jian小xiao封feng裝zhuang尺chi寸cun，而er且qie能neng夠gou實shi現xian較jiao多duo的de按an鍵jian數shu量liang。此ci外wai
，該gai技ji術shu還hai贏ying得de了le汽qi車che領ling域yu中zhong的de設she計ji，因yin它ta在zai極ji為wei惡e劣lie的de環huan境jing條tiao件jian下xia仍reng具ju有you工gong業ye級ji的de穩wen健jian性xing。
                                    
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 係列器件的強大功能。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品已用於實現線性滑塊
、撥輪及 X-Y 觸控板。

QMatrixqijiancaiyongyigesaomiaoshidehengxiangdianjiwuyuanjuzhen，shixianleshiyongdanxinpianqudongdedaliangchumoanjian。zhezhonggouzaoketigaogancexinpiandeyinjiaoliyongxiaolv
，jiaozhiyumeigeanjiandouxuyaoyigegancelianjie (如 Qtouch™ 及許多同類器件)，芯片和按鍵矩陣之間所需的連接數量較少。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，這種構造本身就具有抵抗環境變化
、水膜影響以及無線電幹擾的特性。

QMatrix 電路具有極高的信噪比，極強的水膜抗擾性
，極高的溫度穩定性，優異的低功率特性
，易於布線，在給定的按鍵數量下 IC 封裝小。基於這些原因，QMatrix 電路特別適用於汽車電子、廚房電器，乃至按鍵數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，而且隻能從量研科技或授權廠商處獲取。QMatrix 是英國QRG Ltd的注冊商標。