傳感器設計意識：現有金屬面板電容傳感器技術(shù)及其適用性概述

作者 / Keith Curtis Microchip公司 技術(shù)顧問(wèn)級工程師

摘要：本文介紹了傳感器系統設計中的一些技巧，并著(zhù)重介紹了典型金屬面板電容傳感器疊層結構、塑料傳感器疊層結構以及金屬與塑料共模面板及目標層三種設計結構。

　　金屬面板電容(MoC)觸摸系統的一大優(yōu)點(diǎn)在于其傳感器的靈活性。這也就是說(shuō)，其傳感器設計可以多達數百種，通過(guò)各種部署方式實(shí)現相同的外觀(guān)和觸感。

　　面對如此眾多令人眼花繚亂的潛在可能，設計人員很難專(zhuān)注于一個(gè)具體的設計，除非其對不同的設計方案以及各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)非常熟悉。

　　基于Microchip的mTouch?電容傳感器以及相關(guān)的電子元件和軟件可以構建一個(gè)MoC觸摸系統。而MoC設計的不同之處在于用一個(gè)懸放在電容觸摸傳感器上方或中間，以薄間隔層隔開(kāi)的導電目標層取代用戶(hù)的手指。當用戶(hù)按壓目標層時(shí)，目標層就會(huì )產(chǎn)生不超出10 μm輕微變形，從而更加接近傳感器，而這一間距的改變使得傳感器電容隨之發(fā)生可檢測的變化。電容觸摸界面(電子元件和軟件)將檢測電容的變化，并將這一按壓操作報告給系統。

　　這意味著(zhù)傳感器與環(huán)境實(shí)現了電氣上的隔離，因而改善了噪聲、接近和串擾問(wèn)題。接地目標層為ESD(靜電放電)能量提供了一個(gè)非破壞性的路徑。同時(shí)，傳感器與環(huán)境的隔離還消除了與水相聯(lián)系的問(wèn)題。由于傳感器的驅動(dòng)需要物理力，因此適用于盲文應用程序和戴手套的用戶(hù)。而金屬面板的使用令最終產(chǎn)品擁有了更專(zhuān)業(yè)的外觀(guān)和觸感。

傳感器系統的構建

　　構建一個(gè)MoC傳感器系統需要一個(gè)標準的電容傳感器、一個(gè)在傳感器上方開(kāi)孔的間隔層以及一個(gè)導電的面板和目標層。圖1所示為一個(gè)典型的傳感器疊層結構。在這一結構中，導電目標層充當了電容傳感器的另一個(gè)極板，并且具備所需的彈性彎曲能力，使得該面板可以在作用力撤銷(xiāo)之后恢復原狀。

　　面板處于該疊層結構的頂面，帶有標記和按鍵圖例?？蓪щ姷哪繕藢映洚攤鞲须娙萜鞯牧硪粋€(gè)導電表面。二者一起向用戶(hù)提供相關(guān)信息，構成傳感電容器的另一個(gè)接地層，并實(shí)現了按鍵的機械彈性。

　　在選擇面板和目標層材料時(shí)需要考慮多項要素，包括按下按鍵需要多大的驅動(dòng)力、面板外觀(guān)、環(huán)境因素、按鍵是否需要背光以及面板和目標層是否需要背光等。通常，最好將面板和目標層的設計結合在一起，因為二者經(jīng)常需要緊密合作才能正常運行。

　　最簡(jiǎn)單的實(shí)現方式是使用單一的金屬層來(lái)同時(shí)充當面板和目標層。即可以將金屬目標層上面的標記當作面板層，也可以將粘合在目標層上的印刷薄膜當作面板層。這種單一的金屬層為按鍵和傳感電容器(目標層)另一個(gè)接地極板提供了需要的所有機械彈性。圖1所示的便是一個(gè)典型的單層金屬疊層結構示例。

　　驅動(dòng)力大小由面板和目標層所使用金屬的厚度、按鍵大小、金屬彈性以及面板和目標層的任何背面蝕刻之間的關(guān)系決定。大多數情況下，按鍵的大小和材料的厚度是主要的影響因素。

　　面板和目標層中金屬的彈性是決定按鍵驅動(dòng)力的重要因素。例如，不銹鋼是一種易彎曲的金屬，但其彈性卻比不上航空級的鋁材。而另一方面，鋁的屈服強度較低，在承受高驅動(dòng)力時(shí)更容易產(chǎn)生凹陷和壓痕。因此，選擇材料時(shí)需要在保證低驅動(dòng)力情況下有足夠的彈性和在保證承受高驅動(dòng)力時(shí)有較高的屈服強度，以避免造成損壞二者之間的平衡。

　　在外觀(guān)方面，現代絲網(wǎng)印刷和涂層工藝可以將金屬薄片打造出從花崗巖到木材等各種材質(zhì)的逼真紋理效果。通過(guò)電鍍將金屬面板的表面全部或有選擇性地鍍上其它金屬，以制作相關(guān)的標記和打造特定的外觀(guān)，而陽(yáng)極氧化鋁甚至可以印上照片級效果的圖像。

　　與環(huán)境相關(guān)的兩大問(wèn)題是耐磨性和耐化學(xué)性，包括水在內。不銹鋼可以耐受大多數常用的化學(xué)清潔劑(包括水)，并具有良好的耐磨性。另一方面，普通鋼材容易生銹和產(chǎn)生化學(xué)變色現象，其耐磨性?xún)H屬于中等水平。而經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化涂層處理的鋁材則具有良好的耐磨性，但是陽(yáng)極氧化層屬多孔結構，需要使用聚合物涂層進(jìn)行密封，否則容易生銹。

　　許多設計人員都傾向于避免使用金屬面板，因為他們誤以為金屬面板不能實(shí)現背光功能。然而，事實(shí)上這是可以實(shí)現的，只是比聚合物面板成本稍微高一點(diǎn)。通常而言，我們可以有選擇性地實(shí)施金屬穿孔，并采用以聚合物回填密封來(lái)阻擋灰塵和濕氣的方式實(shí)現背光。

帶有金屬蓋片的塑料面板

　　使用塑料面板層并以采用絲網(wǎng)印刷或氣相沉積工藝制成的金屬蓋片當作目標層是第二種簡(jiǎn)單的實(shí)現方法。這種方法與單一金屬層的設計一樣，在塑料面板表面制作標記，并由塑料面板提供按鍵所需的彈性。塑料層底部的金屬蓋片則充當傳感電容器的另一個(gè)接地極板。如圖2疊層結構所示。

　　在這種設計中，驅動(dòng)力由按鍵大小和任何背面蝕刻之間的關(guān)系決定，但是取決于所使用塑料的厚度和彈性。按鍵越小、材料越厚，需要的驅動(dòng)力越大。然而，盡管不銹鋼和鋁材的硬度相對較高，塑料的彈性卻遠遠優(yōu)于金屬。這樣，在保持相同驅動(dòng)力的條件下，就可以使用更厚的面板和目標層。同時(shí)，它也更能耐受高彎曲角度，相對而言，也就不容易產(chǎn)生凹陷和永久變形。

　　與金屬薄片一樣，現代絲網(wǎng)印刷和涂層工藝也可以令塑料薄片呈現出設計人員所需的任意一種類(lèi)型的表面。而塑料基材的表面也可以完全或有選擇性地通過(guò)使用金屬涂層來(lái)打造光澤度高的外觀(guān)和標記。

　　使用塑料的一個(gè)區別是在厚度更大的情況下會(huì )存在保持光學(xué)透明度的潛在問(wèn)題。聚酯纖維材料可能會(huì )產(chǎn)生透明度問(wèn)題，但是在用于傳感器設計的典型厚度范圍內，這通常不是一個(gè)問(wèn)題。聚碳酸酯和聚乙烯均具有良好的光學(xué)透明度。某些粘合劑也擁有良好的光學(xué)透明度。設計人員應確保選擇合適的塑料和粘合劑組合以避免形成渾濁或模糊的外觀(guān)。

　　雖然在塑料面板設計中，水不再是主要的問(wèn)題，但是耐磨性和耐化學(xué)性問(wèn)題更加凸顯。另一個(gè)與環(huán)境相關(guān)的潛在問(wèn)題是材料隨溫度變化而導致的尺寸穩定性問(wèn)題。如果面板材料的膨脹速率和與其粘合在一起的材料的膨脹速率存在顯著(zhù)差異，粘合劑就會(huì )失去作用，從而導致假的觸發(fā)、易變的靈敏度以及傳感器之間顯著(zhù)的串擾問(wèn)題。

　　食品制備和醫療市場(chǎng)關(guān)注的一大環(huán)境問(wèn)題即該材料的微生物污染耐受能力。聚酯纖維和聚碳酸酯材料備有抗微生物涂層選擇，因此是上述兩大市場(chǎng)的首選材料。如果傳感器還將直接暴露在陽(yáng)光下，那么防霧和耐UV黃變性也是必要的。

　　透明和半透明塑料是最容易實(shí)現背光的材料。塑料不僅能透光，還可實(shí)現縱向的光傳輸，因此，使用側光LED即可實(shí)現整個(gè)設計表面的背光。如果采用了金屬表面電鍍，那么借助簡(jiǎn)單的蝕刻工藝即可實(shí)施針孔開(kāi)口，從而實(shí)現與所提及的針對堅固金屬層的、成本更高的且背光選擇類(lèi)似的效果。

金屬塑料共模設計

　　第三種選擇是使用塑料和金屬共同制成單層面板及目標層。通過(guò)對金屬層進(jìn)行蝕刻或沖壓，在開(kāi)關(guān)四周留出一定的空間，通過(guò)注塑成型工藝用塑料來(lái)填充這些空隙。同時(shí)使用金屬與塑料的一大優(yōu)勢在于，它將二者的長(cháng)處結合在一起，這樣的設計即具備金屬的耐磨性，又擁有塑料透明和半透明特性，而驅動(dòng)力將比單使用塑料來(lái)得更硬，比完全使用金屬更軟。事實(shí)上，我們可以通過(guò)改變與彎曲每個(gè)按鍵相關(guān)的塑料與金屬的比例來(lái)調整驅動(dòng)力的大小。圖3是一個(gè)共模制的面板及目標層示例。

　　在共模設計中，驅動(dòng)力也是由相同因素決定，與單使用金屬或塑料的設計一樣。不同之處在于，實(shí)際的力由兩種材料特性的加權平均值來(lái)決定。這一設計的驅動(dòng)力大小將介于純塑料設計和純金屬設計兩個(gè)數值之間。不幸的是，驅動(dòng)力的精確計算在很大程度上依賴(lài)于所用傳感器的幾何形狀。我們可以將純金屬條件和純塑料條件下的數值進(jìn)行平均計算，從而得到一個(gè)有用的近似值。首先，我們計算出兩個(gè)類(lèi)似按鍵的驅動(dòng)力，一個(gè)按鍵由塑料制成，另一個(gè)由金屬制成。然后計算出按鍵四周分別用了多少塑料和金屬，并根據按鍵四周兩種材料各自所占比例計算出兩個(gè)驅動(dòng)力值。取兩個(gè)結果的平均值即可粗略估算出共模設計所需的驅動(dòng)力，通過(guò)改變所用金屬和塑料的比例即可調整所需驅動(dòng)力的大小，另外也可以通過(guò)在軟件中調整按鍵行程閾值來(lái)進(jìn)行微調。

　　傳感器外觀(guān)是該實(shí)現方式廣受青睞的原因所在。金屬提供了良好的耐磨性，而塑料打造出傳感器的視覺(jué)輪廓并負責實(shí)現傳感器的背光。使用如前所述的技巧即可通過(guò)現代絲網(wǎng)印刷和涂層工藝創(chuàng )造出設計人員所需的外觀(guān)效果。

　　在復合材料設計中，耐磨性和耐化學(xué)性的影響也更為復雜。不僅必須選擇適合預期環(huán)境的金屬和塑料，還要考慮塑料相對于金屬的兼容性及粘合力。舉例來(lái)說(shuō)，如果金屬的膨脹系數比塑料高，那么在極端低溫或極端高溫環(huán)境下，金屬邊緣就有可能脫離塑料導致灰塵和濕氣潛入傳感器裝置。而如果塑料的膨脹系數更高，那么在較高溫度條件下，塑料就可能會(huì )產(chǎn)生壓力并引起金屬變形，進(jìn)而導致虛假按壓發(fā)生。

　　在背光方面，塑料提供了一個(gè)途徑得以讓光通過(guò)金屬，既照亮了按鍵功能，又令按鍵輪廓更為醒目方便用戶(hù)識別。不幸的是，在設計中塑料的使用通常是孤立的，因此，個(gè)別位置就可能需要單獨照明。

結論

　　有了這些不同的傳感器設計技巧，設計人員在創(chuàng )建新穎的用戶(hù)界面時(shí)就有了很大的靈活度。而將各種材料、配置和技巧進(jìn)行不同的組合，就可以打造出各式各樣無(wú)論從美學(xué)角度還是人體工程學(xué)角度來(lái)看都真正獨特的控制裝置。然而，這些技巧并未窮盡一切可能，設計人員應突破傳統思維模式，多與第三方創(chuàng )意設計服務(wù)提供商交流以獲取更多的設計構想。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第19頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。