在汽車產業當個電子工程師是非常不簡單的！汽車電子產業大多由機械工程師所主導，並著重於凸輪(cam)、壓縮(compression)、馬力(horsepower)等長期以來汽車產業所重視的技術層面。也因此電子工程師往往只是負責配線設計方面的工作。但有一點相當重要，就是多數人對於汽車產業各項設計與裝配的要求會比其他產業來得高。舉一個例子來說，我鄰居的電腦鍵盤用了兩年就不能用了，因此上週末我陪他一起到電腦商場買鍵盤。上車後，他就開始憤怒地抱怨他那台已經開了12年的車子的收音機某個按鈕故障了！從這例子就可以輕易發現我的鄰居跟大部分的人一樣，對於汽車零件總是會有比較高的要求。
其他領域的工程師很難想像的到應用於汽車領域的轉換器與按鈕在設計上的限制。因為這些零件必須要能承受：
· 更大的溫度範圍
· 更大的濕度範圍
· 駕駛與乘客因長期接觸轉換器與按鈕造成的髒污。
今日車用的按鈕與轉換器不僅比過去多了許多，還要能具備輕易建置的特性，以符合日趨人性化控制介面的需求，另外，還必須具備成本效益，避免採用密封封閉式的機械開關轉換器。因此，電容式觸控介面（capacitive touch switches，或稱為cap sense）是一個非常具有潛力的取代方案。電容式觸控介面技術不僅無須採用機械式控制零組件，還具備整合人性化介面的功能，十分符合汽車工業對於可靠性與成本效應的需求。
電容式觸控介面技術
如圖1所示，電容式介面主要是由兩片相鄰電路極板（traces）所構成的電容器：而依據物理法，電容效應是存在於兩片電鄰線路極板之間的。如果有任何導電性的物體（例如：手指尖）靠近這兩片極板時，平行式電容（parallel capacitance）就會與感測器產生耦合(couple)效應。因此，整體電容會隨著手指尖觸碰電容感測器而增加；當移開手指時，電容則會隨之減少。所以只要利用一套電路系統來測量電容的變化，就可以判斷手指尖是否有碰觸到兩片相鄰的電路極板。
圖1：基本的電容式感測器
電容式感測器是由兩片電路極板與一個機板空間所構成。這些電路極板可為電路板的一部分，上面直接覆蓋著一層絕緣層。電容式感測器也可以藉由玻璃印刷電路技術植入車窗玻璃，並應用於後擋風玻璃的除霧器上。另外，電容式感測器不僅可以隱藏在曝曬印製圖案的背面，還能夠順應各種曲面的弧度，廣泛地應用於汽車的各種功能上。
電容式介面要素
建構電容式介面的要素：
· 一組電容器
· 電容量測電路系統
· 從電容值轉譯成介面狀態(switch state)的近端裝置。
通常電容式感測器的電容值介於10到30pFPf之間。普遍來說，手指尖經由1mm絕緣層接觸到介面所造成的耦合電容是介於1到2pF的範圍。越厚的絕緣層所產生的耦合電容則愈低。若要感應手指的觸碰，則必須建置能夠偵測到百分之一以下電容變化的電容感測電路系統。
弛張振盪器（relaxation oscillator）是一種非常有效且易於使用的電容量測電路。一般常見拓樸如圖2所示：
圖2：典型弛張振盪器拓樸
這個電路由以下四種零組件組成：
· 一組同步比較器(comparator)
· 一組電流源
· 一組放電開關(discharge switch)
· 一組電容式感測器。
最初，放電開關呈現開啟的狀態，此時全數的電流會流向感測器，造成感測器電壓呈現直線上升的現象。此充電動作將持續至感測器電壓達到比較器閥值臨界值為止。這時，比較器會從低電壓逐漸轉為高電壓，進一步關閉放電開關。如此一來，電容式感測器便會快速經由低阻抗路徑放電至地電位。當比較器輸出電壓從高轉低時，整個電路週期則會重複進行。依據下列的方程式，輸出頻率（fout）與充電電流呈現正比的關係；與閥值臨界值電壓和感測器電容則呈現反比的關係。因此藉著量測輸出頻率，就可以得知感測器電容的大小：
假設充電電流為5uA，比較器閥值臨界值電壓為1.3V，而感測器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率將。花在量測輸出頻率的時間越長，則可獲得越高的頻率解析度。由於更高的頻率解析度會產生更佳的電容量測靈敏度，因此增加量測時間也會相對的提高電容量測解析度。而設計業者可分別依據不同的應用層面、感測器尺寸與覆蓋絕緣體厚度等因素，調整量測電容的時間。
由上列的方程式，可以近一步推衍出下列電容方程式：
因此，顯然地我們還必須有輸出頻率週期的量測機制。圖3分別顯示週期量測方式的示意圖與波形圖。
圖3：週期量測方式示意圖
弛張振盪器的輸出頻率在此代表脈衝寬度調變器（pulse width modulator, PWM）的時脈。PWM的輸出波形由低頻率與高頻率兩種脈波構成，頻率的實際值端視不同應用而定。PWM輸出訊號則用來當成計數器（counter）閘門（gate）的訊號。當此訊號為高電位時，計數器會以fref的頻率累積其數值，並於閘門訊號下緣(falling edge)產生中斷的情況，此時則可進行讀取或是重設計數器數值的動作。之前曾假設充電電流為5uA，比較器閥值臨界值電壓為1.3V，而感測器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率。假設計數器的參考時脈為6MHz，則計數器在一個週期中所累積數值為46，兩個週期為93，而十個週期的計數器數值則為468。由此可知，計數器累積數值越多，產生的解析度或是靈敏度也就會越高。設計業者可運用下列方法獲得更高的計數值：
· 提高計數器參考頻率
· 降低振盪器頻率
· 增加閘門訊號的週期次數
電容式介面感測器採用可變更組態的混合訊號陣列（configurable mixed signal array），爲設計業者提供一套具備成本優勢的解決方案，請參考圖4所示：
圖4：Cypress 可變更組態混合訊號陣列CY8C21x34的示意圖
設計方案
Cypress 可變更組態混合訊號陣列CY8C21x34元件不僅內含建置弛張振盪器所需的可變更組態類比區塊，還具備作為建置週期量測裝置用的數位區塊。更重要的是，此元件還額外內建一組I/O類比多工器。多工器的每一組針腳都具備一個開關器，可直接連結到類比匯流排上。I/O類比多工器是一套大型的交叉式開關（cross-switch），能夠讓每一組針腳直接連結到控制系統上的類比陣列。此外，可編程電流源與放電開關也可直接與匯流排連結。這套內含多功能的可變更組態混合訊號陣列元件，可讓28個I/O針腳中的任何一個都能被當成電容式感測器的輸入端使用。圖5顯示完整的電容式感測系統。
圖5：Cypress推出型號為CY8C21x34的可變更組態混合訊號陣列
當指尖同時放在兩組並列的電容式感測器之間時，兩組感測器很有可能皆會感測到指尖的碰觸。因此，設計業者可利用這樣的原理，近一步研發近似類比的指尖位置感測裝置。
滑桿（slider）是由多個鄰近的感測器所組成，在這樣的設計模式下，指尖接觸的範圍可以同時影響到多個感測器。因此，受影響感測器的電容值變化可用來計算質心(center of mass)與形心(centroid)。而計算出來的數值可精確的顯示指尖所在位置。圖6顯示滑桿的構成。
圖6：滑桿是由多個鄰近的感測器所組成
如要達到多個感測器同時感測出指尖碰觸的目的，設計人員在滑桿的設計上就必須考慮到感測器的形狀。
多元應用
恆速行駛操縱裝置（cruise control）為滑桿的應用之一。舉例來說，我們在里程計速度值上放置一排透明的電容式感測器，只要在55與60兩個數值之間輕輕的點一下，即可將行車時速設定為57 mph。此外，內建電容式觸控感測器的滑桿也可應用在車燈、音響音量控制等任何測量用的應用裝置上。
安全氣囊蓋
隨著車用自動控制儀表板的設計日趨複雜，要將所有的控制鈕建置在其有限的空間中也變得更困難。由於許多車種的方向盤內都已裝設安全氣囊，當安全氣囊迅速膨脹時，可沒有人希望被一大堆機械元件砸在身上，因此，一般的汽車設計業者都會避免在方向盤的表面上裝置控制鈕。然而，電容式感測器只是被電鍍在安全氣囊蓋後方的電路極板，並沒有任何機械零組件。若是鍍裝有困難，也可以超薄電路板(flex circuit) 取代，並以鑲嵌的方式裝置在安全氣囊蓋後方。
車窗
車窗是另一項電容式觸控技術尚未觸及的領域。您是否想過直接把車窗除霧器的控制介面直接建置在車窗上？也許現在已經有設計業者將雨刷控制器直接安裝在擋風玻璃上了。也許未來設計人員會在位於門把上方的玻璃上加裝觸控式數位控鎖介面，車主只需要在車窗的感測器上輸入正確的密碼，便可控制汽車門鎖。設計業者只要採用玻璃印刷電路技術或印製技術，就可將這類的電容式感測器建置在物體的表面。設計人員不僅可將這些感測器設計成常見的按鍵形式，也可自由發揮創意，將感測器以品牌或是車款名稱，加裝在車窗上(如圖7所示)。
圖7：於顯示車款名稱的車窗區域上，嵌入特殊的數位鎖
或許公司的行銷人員會對圖7這樣的設計建議表示關切，因為消費者可能會質疑當他們搖下車窗時，是否仍能順利的打開車門？
門把感測器
當然，電容式感測介面技術不只限定應用在汽車內部空間。門把感測器就是最好的應用實例！設計業者可在金屬門把中加裝感測器，藉以當成偵測器使用。當感測器偵測到手接近門把的訊息時，就會立即啟動負責安全機制的硬體所需的強勁電力。此外，電容式感測器也可以運用在車用警報系統上，如此一來若有人不斷扳動門把，意圖打開車門時，車主在同一時間就會立即接收到此訊息。（例如：訊息會自動傳遞到車主的行動電話。）
比起傳統的機械式轉換器與控制零組件，電容式感測器介面技術除了具備成本效益、不需任何機械零組件、以及能夠輕易順應各種物體形狀的優勢，還能夠讓設計業者開發與建置更多創新的人性化介面與功能。因此，電容式觸控感測器介面技術對於現今各項汽車應用領域來說，是一個非常理想的選擇。
其他領域的工程師很難想像的到應用於汽車領域的轉換器與按鈕在設計上的限制。因為這些零件必須要能承受：
· 更大的溫度範圍
· 更大的濕度範圍
· 駕駛與乘客因長期接觸轉換器與按鈕造成的髒污。
今日車用的按鈕與轉換器不僅比過去多了許多，還要能具備輕易建置的特性，以符合日趨人性化控制介面的需求，另外，還必須具備成本效益，避免採用密封封閉式的機械開關轉換器。因此，電容式觸控介面（capacitive touch switches，或稱為cap sense）是一個非常具有潛力的取代方案。電容式觸控介面技術不僅無須採用機械式控制零組件，還具備整合人性化介面的功能，十分符合汽車工業對於可靠性與成本效應的需求。
電容式觸控介面技術
如圖1所示，電容式介面主要是由兩片相鄰電路極板（traces）所構成的電容器：而依據物理法，電容效應是存在於兩片電鄰線路極板之間的。如果有任何導電性的物體（例如：手指尖）靠近這兩片極板時，平行式電容（parallel capacitance）就會與感測器產生耦合(couple)效應。因此，整體電容會隨著手指尖觸碰電容感測器而增加；當移開手指時，電容則會隨之減少。所以只要利用一套電路系統來測量電容的變化，就可以判斷手指尖是否有碰觸到兩片相鄰的電路極板。
圖1：基本的電容式感測器
電容式感測器是由兩片電路極板與一個機板空間所構成。這些電路極板可為電路板的一部分，上面直接覆蓋著一層絕緣層。電容式感測器也可以藉由玻璃印刷電路技術植入車窗玻璃，並應用於後擋風玻璃的除霧器上。另外，電容式感測器不僅可以隱藏在曝曬印製圖案的背面，還能夠順應各種曲面的弧度，廣泛地應用於汽車的各種功能上。
電容式介面要素
建構電容式介面的要素：
· 一組電容器
· 電容量測電路系統
· 從電容值轉譯成介面狀態(switch state)的近端裝置。
通常電容式感測器的電容值介於10到30pFPf之間。普遍來說，手指尖經由1mm絕緣層接觸到介面所造成的耦合電容是介於1到2pF的範圍。越厚的絕緣層所產生的耦合電容則愈低。若要感應手指的觸碰，則必須建置能夠偵測到百分之一以下電容變化的電容感測電路系統。
弛張振盪器（relaxation oscillator）是一種非常有效且易於使用的電容量測電路。一般常見拓樸如圖2所示：
圖2：典型弛張振盪器拓樸
這個電路由以下四種零組件組成：
· 一組同步比較器(comparator)
· 一組電流源
· 一組放電開關(discharge switch)
· 一組電容式感測器。
最初，放電開關呈現開啟的狀態，此時全數的電流會流向感測器，造成感測器電壓呈現直線上升的現象。此充電動作將持續至感測器電壓達到比較器閥值臨界值為止。這時，比較器會從低電壓逐漸轉為高電壓，進一步關閉放電開關。如此一來，電容式感測器便會快速經由低阻抗路徑放電至地電位。當比較器輸出電壓從高轉低時，整個電路週期則會重複進行。依據下列的方程式，輸出頻率（fout）與充電電流呈現正比的關係；與閥值臨界值電壓和感測器電容則呈現反比的關係。因此藉著量測輸出頻率，就可以得知感測器電容的大小：
假設充電電流為5uA，比較器閥值臨界值電壓為1.3V，而感測器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率將。花在量測輸出頻率的時間越長，則可獲得越高的頻率解析度。由於更高的頻率解析度會產生更佳的電容量測靈敏度，因此增加量測時間也會相對的提高電容量測解析度。而設計業者可分別依據不同的應用層面、感測器尺寸與覆蓋絕緣體厚度等因素，調整量測電容的時間。
由上列的方程式，可以近一步推衍出下列電容方程式：
因此，顯然地我們還必須有輸出頻率週期的量測機制。圖3分別顯示週期量測方式的示意圖與波形圖。
圖3：週期量測方式示意圖
弛張振盪器的輸出頻率在此代表脈衝寬度調變器（pulse width modulator, PWM）的時脈。PWM的輸出波形由低頻率與高頻率兩種脈波構成，頻率的實際值端視不同應用而定。PWM輸出訊號則用來當成計數器（counter）閘門（gate）的訊號。當此訊號為高電位時，計數器會以fref的頻率累積其數值，並於閘門訊號下緣(falling edge)產生中斷的情況，此時則可進行讀取或是重設計數器數值的動作。之前曾假設充電電流為5uA，比較器閥值臨界值電壓為1.3V，而感測器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率。假設計數器的參考時脈為6MHz，則計數器在一個週期中所累積數值為46，兩個週期為93，而十個週期的計數器數值則為468。由此可知，計數器累積數值越多，產生的解析度或是靈敏度也就會越高。設計業者可運用下列方法獲得更高的計數值：
· 提高計數器參考頻率
· 降低振盪器頻率
· 增加閘門訊號的週期次數
電容式介面感測器採用可變更組態的混合訊號陣列（configurable mixed signal array），爲設計業者提供一套具備成本優勢的解決方案，請參考圖4所示：
圖4：Cypress 可變更組態混合訊號陣列CY8C21x34的示意圖
設計方案
Cypress 可變更組態混合訊號陣列CY8C21x34元件不僅內含建置弛張振盪器所需的可變更組態類比區塊，還具備作為建置週期量測裝置用的數位區塊。更重要的是，此元件還額外內建一組I/O類比多工器。多工器的每一組針腳都具備一個開關器，可直接連結到類比匯流排上。I/O類比多工器是一套大型的交叉式開關（cross-switch），能夠讓每一組針腳直接連結到控制系統上的類比陣列。此外，可編程電流源與放電開關也可直接與匯流排連結。這套內含多功能的可變更組態混合訊號陣列元件，可讓28個I/O針腳中的任何一個都能被當成電容式感測器的輸入端使用。圖5顯示完整的電容式感測系統。
圖5：Cypress推出型號為CY8C21x34的可變更組態混合訊號陣列
當指尖同時放在兩組並列的電容式感測器之間時，兩組感測器很有可能皆會感測到指尖的碰觸。因此，設計業者可利用這樣的原理，近一步研發近似類比的指尖位置感測裝置。
滑桿（slider）是由多個鄰近的感測器所組成，在這樣的設計模式下，指尖接觸的範圍可以同時影響到多個感測器。因此，受影響感測器的電容值變化可用來計算質心(center of mass)與形心(centroid)。而計算出來的數值可精確的顯示指尖所在位置。圖6顯示滑桿的構成。
圖6：滑桿是由多個鄰近的感測器所組成
如要達到多個感測器同時感測出指尖碰觸的目的，設計人員在滑桿的設計上就必須考慮到感測器的形狀。
多元應用
恆速行駛操縱裝置（cruise control）為滑桿的應用之一。舉例來說，我們在里程計速度值上放置一排透明的電容式感測器，只要在55與60兩個數值之間輕輕的點一下，即可將行車時速設定為57 mph。此外，內建電容式觸控感測器的滑桿也可應用在車燈、音響音量控制等任何測量用的應用裝置上。
安全氣囊蓋
隨著車用自動控制儀表板的設計日趨複雜，要將所有的控制鈕建置在其有限的空間中也變得更困難。由於許多車種的方向盤內都已裝設安全氣囊，當安全氣囊迅速膨脹時，可沒有人希望被一大堆機械元件砸在身上，因此，一般的汽車設計業者都會避免在方向盤的表面上裝置控制鈕。然而，電容式感測器只是被電鍍在安全氣囊蓋後方的電路極板，並沒有任何機械零組件。若是鍍裝有困難，也可以超薄電路板(flex circuit) 取代，並以鑲嵌的方式裝置在安全氣囊蓋後方。
車窗
車窗是另一項電容式觸控技術尚未觸及的領域。您是否想過直接把車窗除霧器的控制介面直接建置在車窗上？也許現在已經有設計業者將雨刷控制器直接安裝在擋風玻璃上了。也許未來設計人員會在位於門把上方的玻璃上加裝觸控式數位控鎖介面，車主只需要在車窗的感測器上輸入正確的密碼，便可控制汽車門鎖。設計業者只要採用玻璃印刷電路技術或印製技術，就可將這類的電容式感測器建置在物體的表面。設計人員不僅可將這些感測器設計成常見的按鍵形式，也可自由發揮創意，將感測器以品牌或是車款名稱，加裝在車窗上(如圖7所示)。
圖7：於顯示車款名稱的車窗區域上，嵌入特殊的數位鎖
或許公司的行銷人員會對圖7這樣的設計建議表示關切，因為消費者可能會質疑當他們搖下車窗時，是否仍能順利的打開車門？
門把感測器
當然，電容式感測介面技術不只限定應用在汽車內部空間。門把感測器就是最好的應用實例！設計業者可在金屬門把中加裝感測器，藉以當成偵測器使用。當感測器偵測到手接近門把的訊息時，就會立即啟動負責安全機制的硬體所需的強勁電力。此外，電容式感測器也可以運用在車用警報系統上，如此一來若有人不斷扳動門把，意圖打開車門時，車主在同一時間就會立即接收到此訊息。（例如：訊息會自動傳遞到車主的行動電話。）
比起傳統的機械式轉換器與控制零組件，電容式感測器介面技術除了具備成本效益、不需任何機械零組件、以及能夠輕易順應各種物體形狀的優勢，還能夠讓設計業者開發與建置更多創新的人性化介面與功能。因此，電容式觸控感測器介面技術對於現今各項汽車應用領域來說，是一個非常理想的選擇。
