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中心议题：
- QMatrix理论与方案简介
- 按键矩阵布局和设计
- 按键材料选择与设计故障诊断
- QMatrix 应用技术说明
- 电场的耦合强度因人手触摸而衰减
- 通过电极的互电容耦合信号检测出交叉点
相比其它形式的电容感测，量研科技集团(爱特梅尔公司于 2008年收购了量研科技集团) 所开发的专利电荷转移 (QT) 感测技术更稳定，而且它对电磁干扰，以及极端及突变温度湿度都具有更强的耐受能力。
QMatrix™ 器件采用简单的横模 (transverse-mode) 电极结构，可为按键数量较多的应用提供触摸控制。QSlide™ 则用于辅助线性滑块类控制，如调节音量和温度；而 QWheel™ 运用一种不同的控制布局，实现如 iPod 触摸拨轮 (click-wheel)一类的拨轮式面板。QMatrix 可以利用其 3 个感测信道进行配置，实现触摸滑块或拨轮控制。如今，基于 QMatrix 的控制功能已被集成到量研科技集团的许多标准产品中。此外，定制型款 QMatrix 还提供集成各种串口和附加功能，可用于家用电器、手机、笔记本电脑，以及许多其它消费电子设备等应用。
QMatrix理论
每一感测电极对包含一个电场驱动电极和一个接收电极 (图1)。驱动发射电极产生一个猝发式逻辑脉冲串，接收电极则通过覆盖在上面的介质前面板来收集由发射电极辐射出来的大部分电荷。
图1 ：两个电极之间的 QMatrix 场流。触摸可吸收该电场，导致所收集的电荷减少。
电场的耦合强度会因人手触摸而衰减，因为人体将会以电弧的方式导开通过前面板的一部分场线，而所吸收的部分再通过各种电容通道被人体重新辐射回去。12345下一页> 关键字：QMatrix? QWheel? AN-KD01 触摸拨轮 click-wheel 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80002357
图2：Qmatrix 双斜率电路
通过电极结构的互电容耦合信号，会被收集到一个与驱动脉冲同步开关的采样电容上 (图2)。该技术还利用了一个脉冲串来提高信噪比。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，因而收集的信号越强。通过调整脉冲串的长度，可以轻易改变电路的增益，使之能配合于不同按键尺寸，面板材料和面板厚度。
脉冲串产生第一个斜率，那就是施加到采样电容上的一个阶梯电压，便会经过电极电荷交叉耦合进行充电。脉冲串结束后，斜率电阻被置为高电平，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，而达到零交叉点所需的斜率时间长短就作为触摸信号。该电路的双斜率特性使得电路在很宽的工作温度范围内维持极高稳定性。
脉冲串过后，通过将斜率转换电阻置于高电平，对采样电容上的电荷进行转换，并检测出零交叉点，从而得到X-Y 电极电荷耦合成正比的定时器数值，该数值同时反映了手指触摸所引起的电荷吸收。由于手指触摸吸收电荷，因此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的斜率，而斜率转换则引起电容器的正向斜率，其实际结果是转换过程成为“双斜率”，而且基本不依赖于采样电容值，在时间和温度范围内也非常稳定。
矩阵方案提供了潮湿抑制特性，这是其它电容性解决方案所缺的。首先，局部水膜 (如凝露、薄雾或水珠)只会引起耦合信号的略微增加。由于触摸致使信号减小，而由潮湿所引起的对信号耦合的影响则刚好相反，因此不会造成错误检测。其次，对于可能引走电荷的大片潮湿水膜，则可利用一个窄小的 “门控”时间，将电荷捕获限制在紧随脉冲边沿的一段短时间内，从而抑制电荷流失。由于水膜可形成一个依赖于时间的分布式RC 网络，窄门控时间 (微秒级或更短) 大大抑制了由水膜引起信号减小的影响，进一步降低错检的机会。因此，QMatrix 电路从本质上抑制了水膜的影响，非常适合应用于潮湿的环境。
由于电极始终连接在一个低阻电路上，并且其电场是封闭和自屏蔽的，因此外部干扰对感应按键的影响不大。此外，所有 QMatrix 器件都采用展频 (spread-spectrum) 技术，有效抑制外部辐射和外部电场干扰，并多次通过了场强大于20V/m 的易受度例行测试。<上一页12345下一页> 关键字：QMatrix? QWheel? AN-KD01 触摸拨轮 click-wheel 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80002357?page=2
矩阵布局和设计
利用多条 X 驱动和 Y 接收线并将按键电极设置到交叉点上构成的多键矩阵，键盘按键会如机电键盘般按时顺序扫描。QMatrix 电极可以感测任何介电材料，如厚度高达 50mm 的玻璃或塑料，取决于电极的大小和脉冲串长度 (增益) 的设置。
按键的布置完全随意，可以设置到面板的任意地方，并不一定要设置成本文所示的矩形阵列。由于按键信号不会交叉干扰，故即使是彼此相邻放置也没有问题。
电极也不受相邻的接地金属的影响，甚至可以将电极放置到距离机壳或接地面1 毫米以内的位置。
X 和 Y 线都绝对不受接地面和相邻导体的影响，不过，Y 线周边过多的接地线会吸收一些收集电荷，从而降低增益，故 Y 线的电容性负载须有一些实际限制。键盘尺寸、形状和布局几乎都是完全任意的，不同尺寸和形状的按键在一个键盘面板上可以混用，并可以按表面区域 20:1 的系数改变。每个按键可以通过串口的指令进行灵敏度的单独设置。有关电极设计在量研科技集团的应用手册 AN-KD01 中有更详细的讨论。
材料选择
电极被定义为 2 部分交织的电极，可以使用任何导体，如 PCB 铜线或银线以及碳墨。电极是最普遍的传统 PCB 或FPCB，可以胶粘到控制面板的后面。由于信号足够强并很可靠，故芯片、电路和电极都可以放置到 PCB 远离触摸表面的同一侧上，所以可以采用非常便宜的单面冲压型 CEM-1 PCB，其价格通常比 FR-4 型便宜一半。
图4：QT6 系列 QMatrix 设计示例。设计采用廉价的单面 CEM-1 PCB 材料，感测电场背对穿过 PCB 、胶层和前面板，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。<上一页12345下一页> 关键字：QMatrix? QWheel? AN-KD01 触摸拨轮 click-wheel 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80002357?page=3
如图 4 所示，可以使用成本极低的 0 欧姆跳线器来实现交叉，再采用工业用胶贴将 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 薄膜来制作矩阵电极层。薄膜上有一接线，以便将薄膜插入到具有 QMatrix 芯片和电路的控制器 PCB 中 (图5)。
图5： 利用 PET 薄膜上的银线来实现的 QMatrix 键盘，这个 64 键布局只需要 16 个互联 (8X + 8Y线)。
齐全的内部信号处理
QMatrix 芯片含有所有的信号滤波，防反跳逻辑，以及自动漂移补偿电路，以令芯片能达致几十年可靠工作寿命。器件中有许多包括失效模式和影响分析 (Failure Modes and Effects Analysis, FMEA) 自检子程序，报告任何类型的电路故障，例如用于故障安全 (fail-safe) 操作引起的的短路和开路，从而使得这些器件特别适合于厨房和汽车应用。
设计故障诊断
QMatrix 器件还有一个独一无二的特性，即能够实时地将实际的键盘信号和诊断信号通过 USB 接口发送到任意一台电脑上，然后使用 QmBtn 软件进行观察分析。QmBtn 软件可以从量研科技集团的网站上免费下载，设计人员能够实时观察按键信号的能力，增添了产品设计的信心。
发光和背光按键始终都是设计人员兴趣所在。只需在 PCB 上开个口，并将驱动/接收电极环绕表面贴装的 LED 及其焊盘和连线，即可把多个 LED 放置到QMatrix 键盘的中央。这种设计甚至可在单面 PCB 上实现。如在 PET 薄膜这类的清晰透明基片上印刷，则可采用来自 Agfa N.V 的 Orgacon™ 以及可印刷的 ITO 材料来实现清晰的背光分离按键。再用透明的薄粘贴胶膜，将 PET 薄膜粘合到前面板的背面，这样置于这一层后面带有LED 的 PCB 便能产生所需的背光。采用光导和散光罩可以实现更好的背旋旋旋旋光性能。
图6：QMatrix 按键和触摸屏的一体式设计，利用一片 QT6 单芯片同时驱动 PCB 电极以及 ITO 薄膜上的键盘。
利用特制型款的 QMatrix 器件，还可驱动由 PET 薄膜上的 1 或 2 层铟锡氧化物 (Indium Tin Oxide, ITO) 制成的透明电容式触控屏幕 (见图6)。利用一片 QMatrix 芯片可以兼容驱动传统的键盘和触摸屏两种键盘，从而可以实现与整个前面板主处理器的无缝接口。将 ITO 膜连接到扫描矩阵，就可在 LCD 显示器实现许多分离按键。Whirlpool Velos™ 微波炉在一层固态的、完整的玻璃后面采用了这一方法，实现了独特的设计。用这种方式实现的触摸屏不可能损坏，并具有比阻性屏更高的透明度。<上一页12345下一页> 关键字：QMatrix? QWheel? AN-KD01 触摸拨轮 click-wheel 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80002357?page=4
由于电极间的电场的封闭特性，这类器件不大适用于接近式感测设计，除非采用间隔距离较远的大电极，使场线能够辐射到面板前方的自由空间。QTouch 器件往往可以更好地实现远距离的接近式感测，因为其场线能够更好地辐射到自由空间。另一方面，与 QTouch 技术不一样，QMatrix 电极更能容忍与接地面以及附近其他印制导线之间的杂散电容的存在。
器件技术说明
Quantum QT6xxxx 系列的器件都是 QMatrix IC，用的几乎都是同一器件，即 QT60645，使用双斜率捕获方法可以实现的键盘数量从 16 到 64。器件编号中间的 3 位代表器件的键盘数量，而末位数字则代表变更码。QT60160 和 QT60240 是专门为低成本应用设计的，不过没有安全自检 (FMEA) 功能，所以非常适用于像MP3 和手机这类便携式应用，以及像洗衣机这类的非厨房类应用。这两种器件都采用 I2C 接口，而非其他绝大多数的 Q 系列中使用的 SPI 接口。
所有 QMatrix 器件都采用 AKS™ (Adjacent Key Suppression™) 专利技术。该技术允许将所有按键都密集地布置到键盘上，并对来自同时被触摸的各键的信号进行信号强度分析，从而解决了由于手指触摸在多按键交叠位置时引发的模糊触摸问题。该技术还可以支持便携式设备 (例如手机) 的“头部和口袋误触摸检测”，避免在设备使用时碰触头部；或者在口袋里引发误触摸。实现的方法是在键盘附近策略地安置了“保护键”，当保护键被触发后，可以锁住任何一个键或者所有键，以防止误触摸。此外，AKS 技术还可以用来防止水膜在面板表面的影响。
超过一半的 QMatrix 器件都可以定制，来满足特定的应用。定制过程很简单，因为这些芯片都内含带有闪存的微控制器。在量研科技的零件表中，从“QT6C”开始往后的都是定制器件，这些在量研公司的网站上没有详细介绍。
QMatrix 应用
图7：Whirlpool Velos 微波炉采用单芯片 QMatrix 来驱动 21 个传统的触摸按键，以及构成 LCD 触摸屏的 10 个透明式 ITO 薄膜式按键。该设计采用了单层 CEM-1 PCB，成本很低。
自从1999 年研发出来后，QMatrix 器件的主要应用集中在厨房领域，主要的客户包括惠而浦、美诺 (Miele) 和伊莱克斯 (Electrolux)。产品主要是按键数量较多的器件，例如 QT60326 或其他定制器件。自 Whirlpool Velos Speedcook 微波炉 (见图7) 采用 QT6 系列的器件后，业界对触摸屏的兴趣大增。从此，大量采用该技术的触摸屏设计开始进入市场。
QMatrix 器件已经用于手机和其他便携式应用设计中，其之所以成功，在于它相对于其他老式方案具有技术优势，并能减小封装尺寸，而且能够实现较多的按键数量。此外，该技术还赢得了汽车领域中的设计，因它在极为恶劣的环境条件下仍具有工业级的稳健性。
图8 ：量研科技销售 QMatrix 演示版如 E6240，为用户提供该技术的评测手段。该评测板可以支持各种按键尺寸和布局，演示 QT6 系列器件的强大功能。QMatrix 演示版还可配合 QmBtn 软件使用，以进行按键实时信号的全景视象化观测。
由这种技术衍生的产品已用于实现线性滑块、拨轮及 X-Y 触控板。
QMatrix器件采用一个扫描式的横向电极无源矩阵，实现了使用单芯片驱动的大量触摸按键。这种构造可提高感测芯片的引脚利用效率，较之于每个按键都需要一个感测连接 (如 Qtouch™ 及许多同类器件)，芯片和按键矩阵之间所需的连接数量较少。QMatrix 器件所需的部件最少，最大限度地降低了单个按键的成本。在量产时，此器件可以令芯片成本降至每按键 0.05 美元。此外，这种构造本身就具有抵抗环境变化、水膜影响以及无线电干扰的特性。
QMatrix 电路具有极高的信噪比，极强的水膜抗扰性，极高的温度稳定性，优异的低功率特性，易于布线，在给定的按键数量下 IC 封装小。基于这些原因，QMatrix 电路特别适用于汽车电子、厨房电器，乃至按键数量较少的各种应用如手机。
QMatrix 技术备有美国专利第 6,452,514 号及相应的外国专利保护，而且只能从量研科技或授权厂商处获取。QMatrix 是英国QRG Ltd的注册商标。
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