鍵盤(pán)、小鍵盤(pán)與控制面板技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

一旦人機(jī)界面（MMI）中需要開(kāi)關(guān)或按鈕，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就不得不面對(duì)究竟選擇何種技術(shù)來(lái)完成這一任務(wù)的困擾。在許多應(yīng)用中，尤其是在價(jià)格敏感的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中，平板（或準(zhǔn)平板）開(kāi)關(guān)以及小鍵盤(pán)/鍵盤(pán)已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)。所采用的技術(shù)包括阻性薄膜開(kāi)關(guān)面板、壓電開(kāi)關(guān)面板以及基于電容感測(cè)的觸摸面板。本文將對(duì)這些技術(shù)方案的典型構(gòu)造以及優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，然后將對(duì)最近出現(xiàn)的新興電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析。該技術(shù)能夠解決許多其它技術(shù)所固有的問(wèn)題，并且其成本對(duì)批量生產(chǎn)的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用也頗具吸引力。

薄膜開(kāi)關(guān)
最簡(jiǎn)單的，也是最廉價(jià)的阻性薄膜開(kāi)關(guān)由一個(gè)柔性的頂層、一個(gè)絕緣隔離片和置于其下的基板層所構(gòu)成。頂層的外表面通常印有圖形或文字，其下表面則敷有導(dǎo)電的圖案，通常由銀或碳質(zhì)導(dǎo)電油墨印制。其下面的基板層也敷有與之相匹配的導(dǎo)電圖案。當(dāng)通過(guò)隔離片上的孔洞將兩個(gè)導(dǎo)電層按壓到一起，就相當(dāng)于接通了開(kāi)關(guān)。整個(gè)組件用膠粘合在一起。當(dāng)用戶需要觸覺(jué)的反饋時(shí)，可以在組件后面放置一個(gè)金屬或塑料的穹頂構(gòu)件，以在按壓開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生“喀嗒”的感覺(jué)，而且還可以在組件的表面軋上花紋來(lái)引導(dǎo)用戶的指尖到各個(gè)按鈕或開(kāi)關(guān)的中心位置。在價(jià)格比機(jī)械式開(kāi)關(guān)低廉的同時(shí)，可以嚴(yán)格地密封，而且其表面印制的圖形可以有多種變化。薄膜開(kāi)關(guān)也具有很多缺點(diǎn)。首先，要使其有效接觸需要施加比較大的物理作用力。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的平板式薄膜開(kāi)關(guān)，這個(gè)力的大小通常在0.5N（牛頓）到3N之間，而對(duì)于觸感型則應(yīng)當(dāng)在1.5N到5N之間。此外，還需要一定的物理移動(dòng)距離以使開(kāi)關(guān)接觸到一起，對(duì)于平板式小鍵盤(pán)，此距離為0.1至0.5mm，而對(duì)于觸感型則為0.5到1.2mm。這兩個(gè)因素結(jié)合到一起就對(duì)薄膜開(kāi)關(guān)上部所選用的覆蓋物的剛度和厚度有著比較嚴(yán)格的限制。同時(shí)，還對(duì)鍵盤(pán)的操作速度以及用戶使用的輕松程度帶來(lái)限制。還有就是，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的磨損，按鍵的觸感會(huì)隨時(shí)間的流逝而逐漸降低。這就導(dǎo)致對(duì)于不同的按鍵需要不同的力度和角度才能保證其可靠地接觸。

壓電開(kāi)關(guān)
與阻性薄膜開(kāi)關(guān)相比壓電開(kāi)關(guān)具備一些優(yōu)勢(shì)。壓電效應(yīng)是一些特定的晶體材料所具備的特性，包括天然的石英晶體、酒石酸鉀晶體、電氣石以及如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT）之類(lèi)的人造陶瓷材料。在這些材料上施加機(jī)械壓力時(shí)，其晶格結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生和壓力成正比的電壓和電荷。（反之，如果在其上施加一定的電場(chǎng)，晶格結(jié)構(gòu)的變形會(huì)導(dǎo)致材料尺寸的改變。）

這種開(kāi)關(guān)只需要幾乎可以忽略的物理移動(dòng)，通常在1µm到10µm之間就能產(chǎn)生可用的開(kāi)關(guān)電壓或電荷。事實(shí)上，是簡(jiǎn)單的施加外力而不是物理移動(dòng)產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)元件的輸出。這種開(kāi)關(guān)元件使用的是一個(gè)壓電晶片。其表層，也就是用戶所看到的部分，可以印刷、蓋制或壓出所需要的信息。壓電晶片插入到一個(gè)沖壓而成的絕緣層（套）中，這個(gè)絕緣層又被夾到組成開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的兩層導(dǎo)電薄片之間。最后，由一個(gè)承載盤(pán)支撐著整個(gè)組件，參見(jiàn)圖1。

高速控制鍵盤(pán)工作時(shí)需要施加的力小于1N。工業(yè)開(kāi)關(guān)則需要施加3N到5N的力。壓電鍵盤(pán)所使用的晶片的厚度通常約為200微米，當(dāng)施加以1N的力時(shí)其輸出則為1VDC左右。在最近的幾年里，壓電油墨已經(jīng)在部分設(shè)計(jì)中取代了壓電晶片的位置，主要是為了降低組裝成本，但相應(yīng)的代價(jià)是必須施加更大的力才能產(chǎn)生足以檢測(cè)出開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電壓。當(dāng)施加的壓力增加時(shí)，壓電單元的輸出電壓與之對(duì)應(yīng)呈線性增加的趨勢(shì)。具體的輸出電壓數(shù)值取決于環(huán)境溫度、作用力和速度，還涉及到覆蓋材料的厚度以及種類(lèi)。這么多的變數(shù)，就需要復(fù)雜的電子系統(tǒng)來(lái)處理需要開(kāi)關(guān)正常工作運(yùn)行的環(huán)境條件和物理操作的大范圍變化帶來(lái)的影響。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了與其它鍵盤(pán)技術(shù)相比其成本昂貴，但當(dāng)出于美學(xué)或安全原因必須使用金屬覆蓋層時(shí)，壓電開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。

電容性傳感器

電容性按鈕和開(kāi)關(guān)分為兩個(gè)基本類(lèi)型：需要機(jī)械按鍵來(lái)觸發(fā)的類(lèi)型，如圖2所示，和只需要接近或觸摸的類(lèi)型。按鍵觸發(fā)型的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，包含了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，但如何使其機(jī)械結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固是目前面臨的挑戰(zhàn)。盡管如此，它還是在PC機(jī)鍵盤(pán)上得到了廣泛的應(yīng)用。其上半片由印制有作為上部電極導(dǎo)電薄膜的塑料膜片構(gòu)成，下半片是一片帶有作為電容單元下部電極的導(dǎo)電線路的印刷電路板。

觸摸或接近型鍵盤(pán)省略了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，替代的是利用操作者的手指影響在電極或電容上的電荷電平。其感測(cè)電極可以放置到任何絕緣層（通常為玻璃或塑料材料）的后面，而且很容易制成與周?chē)h(huán)境相密封的鍵盤(pán)。但是，采用此項(xiàng)頗具吸引力的技術(shù)也會(huì)因其一些技術(shù)挑戰(zhàn)而引發(fā)困擾。

首先就是觸摸感測(cè)需要測(cè)量或檢測(cè)電容上的電荷或電荷電平。表明觸摸已經(jīng)發(fā)生的變化程度必須編程到微控制器中。換句話說(shuō)，系統(tǒng)必須進(jìn)行校準(zhǔn)。問(wèn)題是電荷電平的改變可以由許多外界的影響而產(chǎn)生。靜電放電和電磁干擾可以引發(fā)誤動(dòng)作，而且溫度的改變也會(huì)影響到校準(zhǔn)。濕氣或其它污染物在表面的堆積都會(huì)影響其精確性和可重復(fù)操作性。最后，還很難制造帶有不同形狀和尺寸按鍵的鍵盤(pán)，而這一點(diǎn)卻又常常是電子設(shè)備制造商迫切尋求，以美化其產(chǎn)品外形從而增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的要素。但通過(guò)各種機(jī)械或電子的補(bǔ)償方法克服這些點(diǎn)卻又使得傳統(tǒng)的電容感測(cè)技術(shù)的成本高昂，因而在很多應(yīng)用場(chǎng)合并不適合，尤其是成本敏感的消費(fèi)類(lèi)電器。新興的電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)技術(shù)在克服了上述所有問(wèn)題的同時(shí)，在價(jià)格上也對(duì)批量生產(chǎn)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的公司極具吸引力。

電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)的解釋

電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)是基于一個(gè)基本的物理定律，即電荷守恒定律的技術(shù)，也被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電容或QT（此處Q指的是電荷，T指的是轉(zhuǎn)移）技術(shù)。QT傳感器本質(zhì)上是一個(gè)微控制器，被編程將一個(gè)電容未知的感測(cè)盤(pán)充電到已知的電位。感測(cè)盤(pán)可以是任何導(dǎo)電物體，從PCB上的焊盤(pán)到涂敷在顯示器屏幕之下或上面光學(xué)透明的銦錫氧化物(ITO)區(qū)域。最后，感測(cè)盤(pán)上所帶的電荷又被轉(zhuǎn)移到測(cè)量電路中。通過(guò)一個(gè)或多個(gè)充電－轉(zhuǎn)移循環(huán)，就可以測(cè)出感測(cè)盤(pán)的電容。充電－轉(zhuǎn)移－采集過(guò)程通過(guò)由微處理器控制著的MOSFET晶體管的開(kāi)關(guān)切換以突發(fā)脈沖模式完成。由諸如手指的物體而導(dǎo)致的額外電容會(huì)影響電荷的流動(dòng)，從而被檢測(cè)到。

通過(guò)使用智能信號(hào)處理，決策邏輯就非?？煽?。例如，使用了在一次觸摸被存儲(chǔ)之前需要檢測(cè)到許多次成功采樣的判決濾波器。這樣能夠消除由于靜電毛刺或不經(jīng)意地瞬間觸摸或接近引發(fā)的誤動(dòng)作。另一項(xiàng)特性，就是相鄰按鍵抑制(AdjacentKeySuppression,AKS)，通過(guò)使用重復(fù)測(cè)量與各按鍵相對(duì)應(yīng)信號(hào)的迭代技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行比較以找出其中變化最大的一個(gè)，并最終以最大的信號(hào)變化確定用戶所選擇的按鍵。在接下來(lái)的時(shí)間里，只要這一按鍵的信號(hào)高于某個(gè)額定的閾值，AKS就會(huì)一直忽略或抑制其它所有按鍵的信號(hào)。這樣能防止相鄰按鍵的誤動(dòng)作，對(duì)于諸如手持式遙控器之類(lèi)的小型控制面板而言，這一特性尤為重要。

QT感測(cè)IC對(duì)于單鍵或多鍵、矩陣鍵盤(pán)、觸摸式滑動(dòng)控制條、觸摸式滾輪（如iPod）、觸摸屏等應(yīng)用以及這些應(yīng)用的組合，都有可用的型號(hào)。在多鍵應(yīng)用中每個(gè)按鍵的靈敏度可單獨(dú)設(shè)定。這一點(diǎn)有助于采用不同的按鍵尺寸和形狀，以適應(yīng)功能和審美方面的要求。作為一種與其它同類(lèi)產(chǎn)品區(qū)分開(kāi)來(lái)的手段，電子和電氣產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)愈加的重要，尤其對(duì)于消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品，而QT感測(cè)技術(shù)就在這方面提供了無(wú)與倫比的靈活性。

QT技術(shù)也解決了困擾著傳統(tǒng)電容性傳感器的電磁兼容性問(wèn)題。QT傳感器采用了擴(kuò)頻調(diào)制和在脈沖突發(fā)串之間加入長(zhǎng)時(shí)間延遲的稀疏、隨機(jī)充電的方法。單個(gè)脈沖只有突發(fā)脈沖之間間隔的5%或更少。這種擴(kuò)頻方法的優(yōu)點(diǎn)包括：更低的傳感器之間的干擾、降低了射頻發(fā)射以及敏感性，還有就是更低的功耗。

電荷感測(cè)技術(shù)其它優(yōu)點(diǎn)還包括QT器件已被編程為帶有自動(dòng)漂移補(bǔ)償機(jī)制，以應(yīng)對(duì)由于時(shí)間流逝或環(huán)境條件改變帶來(lái)的信號(hào)的緩慢改變。這又克服了傳統(tǒng)電容傳感器的一個(gè)通病。

與傳統(tǒng)的電容性傳感器不同，QT技術(shù)的動(dòng)態(tài)范圍有好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且QT傳感器無(wú)需線圈、振蕩器、射頻元件、專(zhuān)用電纜、RC網(wǎng)絡(luò)或許多分立元件。作為一種工程解決方案，它簡(jiǎn)單、可靠、精致而又價(jià)格低廉。圖3所示為用于矩陣鍵盤(pán)的典型應(yīng)用電路。正如圖中所示，外接元件的數(shù)量非常少。

電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)技術(shù)的現(xiàn)有應(yīng)用和潛在應(yīng)用每天都在增長(zhǎng)，圖4展示了幾個(gè)例子。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在諸如炊具和食品攪拌機(jī)等家用電器中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)，在MP3播放器、LCD顯示器以及PC機(jī)中也有應(yīng)用。而像蜂窩電話、手持式遙控器、定位設(shè)備、以及新型觸摸屏等新應(yīng)用也正在開(kāi)發(fā)之中。