鍵盤、小鍵盤與控制面板技術(shù)的發(fā)展趨勢

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

薄膜開關(guān)
最簡單的，也是最廉價(jià)的阻性薄膜開關(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)于接通了開關(guān)。整個(gè)組件用膠粘合在一起。當(dāng)用戶需要觸覺的反饋時(shí)，可以在組件后面放置一個(gè)金屬或塑料的穹頂構(gòu)件，以在按壓開關(guān)時(shí)產(chǎn)生“喀嗒”的感覺，而且還可以在組件的表面軋上花紋來引導(dǎo)用戶的指尖到各個(gè)按鈕或開關(guān)的中心位置。在價(jià)格比機(jī)械式開關(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。對于一個(gè)簡單的平板式薄膜開關(guān)，這個(gè)力的大小通常在0.5N（牛頓）到3N之間，而對于觸感型則應(yīng)當(dāng)在1.5N到5N之間。此外，還需要一定的物理移動(dòng)距離以使開關(guān)接觸到一起，對于平板式小鍵盤，此距離為0.1至0.5mm，而對于觸感型則為0.5到1.2mm。這兩個(gè)因素結(jié)合到一起就對薄膜開關(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)，還對鍵盤的操作速度以及用戶使用的輕松程度帶來限制。還有就是，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶來的磨損，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。

壓電開關(guān)
與阻性薄膜開關(guān)相比壓電開關(guān)具備一些優(yōu)勢。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，晶格結(jié)構(gòu)的變形會(huì)導(dǎo)致材料尺寸的改變。）

這種開關(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)生可用的開關(guān)電壓或電荷。事實(shí)上，是簡單的施加外力而不是物理移動(dòng)產(chǎn)生了開關(guān)元件的輸出。這種開關(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關(guān)觸點(diǎn)的兩層導(dǎo)電薄片之間。最后，由一個(gè)承載盤支撐著整個(gè)組件，參見圖1。

高速控制鍵盤工作時(shí)需要施加的力小于1N。工業(yè)開關(guān)則需要施加3N到5N的力。壓電鍵盤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)生足以檢測出開關(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應(yīng)呈線性增加的趨勢。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。這么多的變數(shù)，就需要復(fù)雜的電子系統(tǒng)來處理需要開關(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的影響。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了與其它鍵盤技術(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)，壓電開關(guān)的優(yōu)勢是顯而易見的。

電容性傳感器

電容性按鈕和開關(guān)分為兩個(gè)基本類型：需要機(jī)械按鍵來觸發(fā)的類型，如圖2所示，和只需要接近或觸摸的類型。按鍵觸發(fā)型的結(jié)構(gòu)相對比較復(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圍環(huán)境相密封的鍵盤。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。

首先就是觸摸感測需要測量或檢測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，系統(tǒng)必須進(jìn)行校準(zhǔn)。問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，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競爭力的要素。但通過各種機(jī)械或電子的補(bǔ)償方法克服這些點(diǎn)卻又使得傳統(tǒng)的電容感測技術(shù)的成本高昂，因而在很多應(yīng)用場合并不適合，尤其是成本敏感的消費(fèi)類電器。新興的電荷轉(zhuǎn)移感測技術(shù)在克服了上述所有問題的同時(shí)，在價(jià)格上也對批量生產(chǎn)消費(fèi)類產(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)，也被稱為開關(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)電容未知的感測盤充電到已知的電位。感測盤可以是任何導(dǎo)電物體，從PCB上的焊盤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，感測盤上所帶的電荷又被轉(zhuǎn)移到測量電路中。通過一個(gè)或多個(gè)充電－轉(zhuǎn)移循環(huán)，就可以測出感測盤的電容。充電－轉(zhuǎn)移－采集過程通過由微處理器控制著的MOSFET晶體管的開關(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)，從而被檢測到。

通過使用智能信號處理，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)，通過使用重復(fù)測量與各按鍵相對應(yīng)信號的迭代技術(shù)，對其進(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變化確定用戶所選擇的按鍵。在接下來的時(shí)間里，只要這一按鍵的信號高于某個(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。這樣能防止相鄰按鍵的誤動(dòng)作，對于諸如手持式遙控器之類的小型控制面板而言，這一特性尤為重要。

QT感測IC對于單鍵或多鍵、矩陣鍵盤、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。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產(chǎn)品區(qū)分開來的手段，電子和電氣產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)愈加的重要，尤其對于消費(fèi)類產(chǎn)品，而QT感測技術(shù)就在這方面提供了無與倫比的靈活性。

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)對由于時(shí)間流逝或環(huán)境條件改變帶來的信號的緩慢改變。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，而且QT傳感器無需線圈、振蕩器、射頻元件、專用電纜、RC網(wǎng)絡(luò)或許多分立元件。作為一種工程解決方案，它簡單、可靠、精致而又價(jià)格低廉。圖3所示為用于矩陣鍵盤的典型應(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)移感測技術(shù)的應(yīng)用

電荷轉(zhuǎn)移感測技術(shù)的現(xiàn)有應(yīng)用和潛在應(yīng)用每天都在增長，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)用也正在開發(fā)之中。