键盘、小键盘与控制面板技术的发展趋势

时间：2005-10-29 22:23:00

关键字：键盘控制面板面板技术薄膜

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[导读]在文中探讨了控制面板技术的演变，并指出电荷转移感测技术是未来用于低成本、高稳定性消费类产品中用户接口技术的关键。

一旦人机界面（MMI）中需要开关或按钮，系统设计师就不得不面对究竟选择何种技术来完成这一任务的困扰。在许多应用中，尤其是在价格敏感的消费类产品中，平板（或准平板）开关以及小键盘/键盘已经取代了传统的机械开关。所采用的技术包括阻性薄膜开关面板、压电开关面板以及基于电容感测的触摸面板。本文将对这些技术方案的典型构造以及优点与缺点进行简要的介绍，然后将对最近出现的新兴电荷转移感测技术进行分析。该技术能够解决许多其它技术所固有的问题，并且其成本对批量生产的消费类应用也颇具吸引力。

薄膜开关
最简单的，也是最廉价的阻性薄膜开关由一个柔性的顶层、一个绝缘隔离片和置于其下的基板层所构成。顶层的外表面通常印有图形或文字，其下表面则敷有导电的图案，通常由银或碳质导电油墨印制。其下面的基板层也敷有与之相匹配的导电图案。当通过隔离片上的孔洞将两个导电层按压到一起，就相当于接通了开关。整个组件用胶粘合在一起。当用户需要触觉的反馈时，可以在组件后面放置一个金属或塑料的穹顶构件，以在按压开关时产生“喀嗒”的感觉，而且还可以在组件的表面轧上花纹来引导用户的指尖到各个按钮或开关的中心位置。在价格比机械式开关低廉的同时，可以严格地密封，而且其表面印制的图形可以有多种变化。薄膜开关也具有很多缺点。首先，要使其有效接触需要施加比较大的物理作用力。对于一个简单的平板式薄膜开关，这个力的大小通常在0.5N（牛顿）到3N之间，而对于触感型则应当在1.5N到5N之间。此外，还需要一定的物理移动距离以使开关接触到一起，对于平板式小键盘，此距离为0.1至0.5mm，而对于触感型则为0.5到1.2mm。这两个因素结合到一起就对薄膜开关上部所选用的覆盖物的刚度和厚度有着比较严格的限制。同时，还对键盘的操作速度以及用户使用的轻松程度带来限制。还有就是，由于机械运动带来的磨损，按键的触感会随时间的流逝而逐渐降低。这就导致对于不同的按键需要不同的力度和角度才能保证其可靠地接触。

压电开关
与阻性薄膜开关相比压电开关具备一些优势。压电效应是一些特定的晶体材料所具备的特性，包括天然的石英晶体、酒石酸钾晶体、电气石以及如钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）之类的人造陶瓷材料。在这些材料上施加机械压力时，其晶格结构会产生和压力成正比的电压和电荷。（反之，如果在其上施加一定的电场，晶格结构的变形会导致材料尺寸的改变。）

这种开关只需要几乎可以忽略的物理移动，通常在1µm 到10µm之间就能产生可用的开关电压或电荷。事实上，是简单的施加外力而不是物理移动产生了开关元件的输出。这种开关元件使用的是一个压电晶片。其表层，也就是用户所看到的部分，可以印刷、盖制或压出所需要的信息。压电晶片插入到一个冲压而成的绝缘层（套）中，这个绝缘层又被夹到组成开关触点的两层导电薄片之间。最后，由一个承载盘支撑着整个组件，参见图1。

高速控制键盘工作时需要施加的力小于1N。工业开关则需要施加3N到5N的力。压电键盘所使用的晶片的厚度通常约为200微米，当施加以1N的力时其输出则为1VDC左右。在最近的几年里，压电油墨已经在部分设计中取代了压电晶片的位置，主要是为了降低组装成本，但相应的代价是必须施加更大的力才能产生足以检测出开关动作的电压。当施加的压力增加时，压电单元的输出电压与之对应呈线性增加的趋势。具体的输出电压数值取决于环境温度、作用力和速度，还涉及到覆盖材料的厚度以及种类。这么多的变数，就需要复杂的电子系统来处理需要开关正常工作运行的环境条件和物理操作的大范围变化带来的影响。这种复杂的结构导致了与其它键盘技术相比其成本昂贵，但当出于美学或安全原因必须使用金属覆盖层时，压电开关的优势是显而易见的。

电容性传感器

电容性按钮和开关分为两个基本类型：需要机械按键来触发的类型，如图2所示，和只需要接近或触摸的类型。按键触发型的结构相对比较复杂，包含了机械运动部件，但如何使其机械结构更加坚固是目前面临的挑战。尽管如此，它还是在PC机键盘上得到了广泛的应用。其上半片由印制有作为上部电极导电薄膜的塑料膜片构成，下半片是一片带有作为电容单元下部电极的导电线路的印刷电路板。

触摸或接近型键盘省略了机械运动部件，替代的是利用操作者的手指影响在电极或电容上的电荷电平。其感测电极可以放置到任何绝缘层（通常为玻璃或塑料材料）的后面，而且很容易制成与周围环境相密封的键盘。但是，采用此项颇具吸引力的技术也会因其一些技术挑战而引发困扰。

首先就是触摸感测需要测量或检测电容上的电荷或电荷电平。表明触摸已经发生的变化程度必须编程到微控制器中。换句话说，系统必须进行校准。问题是电荷电平的改变可以由许多外界的影响而产生。静电放电和电磁干扰可以引发误动作，而且温度的改变也会影响到校准。湿气或其它污染物在表面的堆积都会影响其精确性和可重复操作性。最后，还很难制造带有不同形状和尺寸按键的键盘，而这一点却又常常是电子设备制造商迫切寻求，以美化其产品外形从而增加市场竞争力的要素。但通过各种机械或电子的补偿方法克服这些点却又使得传统的电容感测技术的成本高昂，因而在很多应用场合并不适合，尤其是成本敏感的消费类电器。新兴的电荷转移感测技术在克服了上述所有问题的同时，在价格上也对批量生产消费类产品的公司极具吸引力。

电荷转移技术的解释

电荷转移感测是基于一个基本的物理定律，即电荷守恒定律的技术，也被称为开关电容或QT（此处Q指的是电荷，T指的是转移）技术。QT传感器本质上是一个微控制器，被编程将一个电容未知的感测盘充电到已知的电位。感测盘可以是任何导电物体，从PCB上的焊盘到涂敷在显示器屏幕之下或上面光学透明的铟锡氧化物(ITO)区域。最后，感测盘上所带的电荷又被转移到测量电路中。通过一个或多个充电－转移循环，就可以测出感测盘的电容。充电－转移－采集过程通过由微处理器控制着的MOSFET晶体管的开关切换以突发脉冲模式完成。由诸如手指的物体而导致的额外电容会影响电荷的流动，从而被检测到。

通过使用智能信号处理，决策逻辑就非常可靠。例如，使用了在一次触摸被存储之前需要检测到许多次成功采样的判决滤波器。这样能够消除由于静电毛刺或不经意地瞬间触摸或接近引发的误动作。另一项特性，就是相邻按键抑制(Adjacent Key Suppression, AKS)，通过使用重复测量与各按键相对应信号的迭代技术，对其进行比较以找出其中变化最大的一个，并最终以最大的信号变化确定用户所选择的按键。在接下来的时间里，只要这一按键的信号高于某个额定的阈值，AKS就会一直忽略或抑制其它所有按键的信号。这样能防止相邻按键的误动作，对于诸如手持式遥控器之类的小型控制面板而言，这一特性尤为重要。

QT感测IC对于单键或多键、矩阵键盘、触摸式滑动控制条、触摸式滚轮（如iPod）、触摸屏等应用以及这些应用的组合，都有可用的型号。在多键应用中每个按键的灵敏度可单独设定。这一点有助于采用不同的按键尺寸和形状，以适应功能和审美方面的要求。作为一种与其它同类产品区分开来的手段，电子和电气产品的外形设计愈加的重要，尤其对于消费类产品，而QT感测技术就在这方面提供了无与伦比的灵活性。

QT技术也解决了困扰着传统电容性传感器的电磁兼容性问题。QT传感器采用了扩频调制和在脉冲突发串之间加入长时间延迟的稀疏、随机充电的方法。单个脉冲只有突发脉冲之间间隔的5%或更少。这种扩频方法的优点包括：更低的传感器之间的干扰、降低了射频发射以及敏感性，还有就是更低的功耗。

电荷感测技术其它优点还包括QT器件已被编程为带有自动漂移补偿机制，以应对由于时间流逝或环境条件改变带来的信号的缓慢改变。这又克服了传统电容传感器的一个通病。

与传统的电容性传感器不同，QT技术的动态范围有好几个数量级，而且QT传感器无需线圈、振荡器、射频元件、专用电缆、RC网络或许多分立元件。作为一种工程解决方案，它简单、可靠、精致而又价格低廉。图3所示为用于矩阵键盘的典型应用电路。正如图中所示，外接元件的数量非常少。