鍵盤(pán)、小鍵盤(pán)與控制面板技術(shù)的發(fā)展趨勢

一旦人機界面（MMI）中需要開(kāi)關(guān)或按鈕，系統設計師就不得不面對究竟選擇何種技術(shù)來(lái)完成這一任務(wù)的困擾。在許多應用中，尤其是在價(jià)格敏感的消費類(lèi)產(chǎn)品中，平板（或準平板）開(kāi)關(guān)以及小鍵盤(pán)/鍵盤(pán)已經(jīng)取代了傳統的機械開(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的觸摸面板。本文將對這些技術(shù)方案的典型構造以及優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，然后將對最近出現的新興電荷轉移感測技術(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(wèn)題，并且其成本對批量生產(chǎn)的消費類(lèi)應用也頗具吸引力。

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成。頂層的外表面通常印有圖形或文字，其下表面則敷有導電的圖案，通常由銀或碳質(zhì)導電油墨印制。其下面的基板層也敷有與之相匹配的導電圖案。當通過(guò)隔離片上的孔洞將兩個(gè)導電層按壓到一起，就相當于接通了開(kāi)關(guān)。整個(gè)組件用膠粘合在一起。當用戶(hù)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)引導用戶(hù)的指尖到各個(gè)按鈕或開(kāi)關(guān)的中心位置。在價(jià)格比機械式開(kāi)關(guān)低廉的同時(shí)，可以嚴格地密封，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，而對于觸感型則應當在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，對于平板式小鍵盤(pán)，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)因素結合到一起就對薄膜開(kāi)關(guān)上部所選用的覆蓋物的剛度和厚度有著(zhù)比較嚴格的限制。同時(shí)，還對鍵盤(pán)的操作速度以及用戶(hù)使用的輕松程度帶來(lái)限制。還有就是，由于機械運動(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(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。壓電效應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械壓力時(shí)，其晶格結構會(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)，晶格結構的變形會(huì )導致材料尺寸的改變。）

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(hù)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)的兩層導電薄片之間。最后，由一個(gè)承載盤(pán)支撐著(zhù)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)在部分設計中取代了壓電晶片的位置，主要是為了降低組裝成本，但相應的代價(jià)是必須施加更大的力才能產(chǎn)生足以檢測出開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電壓。當施加的壓力增加時(shí)，壓電單元的輸出電壓與之對應呈線(xiàn)性增加的趨勢。具體的輸出電壓數值取決于環(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，就需要復雜的電子系統來(lái)處理需要開(kāi)關(guān)正常工作運行的環(huán)境條件和物理操作的大范圍變化帶來(lái)的影響。這種復雜的結構導致了與其它鍵盤(pán)技術(shù)相比其成本昂貴，但當出于美學(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)型的結構相對比較復雜，包含了機械運動(dòng)部件，但如何使其機械結構更加堅固是目前面臨的挑戰。盡管如此，它還是在PC機鍵盤(pán)上得到了廣泛的應用。其上半片由印制有作為上部電極導電薄膜的塑料膜片構成，下半片是一片帶有作為電容單元下部電極的導電線(xiàn)路的印刷電路板。

觸摸或接近型鍵盤(pán)省略了機械運動(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?chē)h(huán)境相密封的鍵盤(pán)。但是，采用此項頗具吸引力的技術(shù)也會(huì )因其一些技術(shù)挑戰而引發(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(huà)說(shuō)，系統必須進(jìn)行校準。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。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)競爭力的要素。但通過(guò)各種機械或電子的補償方法克服這些點(diǎn)卻又使得傳統的電容感測技術(shù)的成本高昂，因而在很多應用場(chǎng)合并不適合，尤其是成本敏感的消費類(lèi)電器。新興的電荷轉移感測技術(shù)在克服了上述所有問(wèn)題的同時(shí)，在價(jià)格上也對批量生產(chǎn)消費類(lèi)產(chǎn)品的公司極具吸引力。

電荷轉移技術(shù)的解釋

電荷轉移感測是基于一個(gè)基本的物理定律，即電荷守恒定律的技術(shù)，也被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電容或QT（此處Q指的是電荷，T指的是轉移）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(pán)充電到已知的電位。感測盤(pán)可以是任何導電物體，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)區域。最后，感測盤(pán)上所帶的電荷又被轉移到測量電路中。通過(guò)一個(gè)或多個(gè)充電－轉移循環(huán)，就可以測出感測盤(pán)的電容。充電－轉移－采集過(guò)程通過(guò)由微處理器控制著(zhù)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致的額外電容會(huì )影響電荷的流動(dòng)，從而被檢測到。

通過(guò)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。另一項特性，就是相鄰按鍵抑制(AdjacentKeySuppression,AKS)，通過(guò)使用重復測量與各按鍵相對應信號的迭代技術(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(hù)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(lèi)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(pán)、觸摸式滑動(dòng)控制條、觸摸式滾輪（如iPod）、觸摸屏等應用以及這些應用的組合，都有可用的型號。在多鍵應用中每個(gè)按鍵的靈敏度可單獨設定。這一點(diǎn)有助于采用不同的按鍵尺寸和形狀，以適應功能和審美方面的要求。作為一種與其它同類(lèi)產(chǎn)品區分開(kāi)來(lái)的手段，電子和電氣產(chǎn)品的外形設計愈加的重要，尤其對于消費類(lèi)產(chǎn)品，而QT感測技術(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(zhù)傳統電容性傳感器的電磁兼容性問(wèn)題。QT傳感器采用了擴頻調制和在脈沖突發(fā)串之間加入長(cháng)時(shí)間延遲的稀疏、隨機充電的方法。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)漂移補償機制，以應對由于時(shí)間流逝或環(huán)境條件改變帶來(lái)的信號的緩慢改變。這又克服了傳統電容傳感器的一個(gè)通病。

與傳統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)數量級，而且QT傳感器無(wú)需線(xiàn)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)的典型應用電路。正如圖中所示，外接元件的數量非常少。

電荷轉移感測技術(shù)的應用

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