鍵盤、小鍵盤與控制面板技術(shù)的發(fā)展趨勢

一旦人機界面（MMI）中需要開關(guān)或按鈕，系統(tǒng)設(shè)計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，尤其是在價格敏感的消費類產(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)點與缺點進行簡要的介紹，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)的消費類應(yīng)用也頗具吸引力。

薄膜開關(guān)
最簡單的，也是最廉價的阻性薄膜開關(guān)由一個柔性的頂層、一個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導(dǎo)電層按壓到一起，就相當(dāng)于接通了開關(guān)。整個組件用膠粘合在一起。當(dāng)用戶需要觸覺的反饋時，可以在組件后面放置一個金屬或塑料的穹頂構(gòu)件，以在按壓開關(guān)時產(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)用戶的指尖到各個按鈕或開關(guān)的中心位置。在價格比機械式開關(guān)低廉的同時，可以嚴格地密封，而且其表面印制的圖形可以有多種變化。薄膜開關(guān)也具有很多缺點。首先，要使其有效接觸需要施加比較大的物理作用力。對于一個簡單的平板式薄膜開關(guān)，這個力的大小通常在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格的限制。同時，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，由于機械運動帶來的磨損，按鍵的觸感會隨時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械壓力時，其晶格結(jié)構(gòu)會產(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，通常在1µm 到10µm之間就能產(chǎn)生可用的開關(guān)電壓或電荷。事實上，是簡單的施加外力而不是物理移動產(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沖壓而成的絕緣層（套）中，這個絕緣層又被夾到組成開關(guān)觸點的兩層導(dǎo)電薄片之間。最后，由一個承載盤支撐著整個組件，參見圖1。

高速控制鍵盤工作時需要施加的力小于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)的代價是必須施加更大的力才能產(chǎn)生足以檢測出開關(guān)動作的電壓。當(dāng)施加的壓力增加時，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，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)分為兩個基本類型：需要機械按鍵來觸發(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，包含了機械運動部件，但如何使其機械結(jié)構(gòu)更加堅固是目前面臨的挑戰(zhàn)。盡管如此，它還是在PC機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械運動部件，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，采用此項頗具吸引力的技術(shù)也會因其一些技術(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)誤動作，而且溫度的改變也會影響到校準(zhǔn)。濕氣或其它污染物在表面的堆積都會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。但通過各種機械或電子的補償方法克服這些點卻又使得傳統(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，在價格上也對批量生產(chǎn)消費類產(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)上是一個微控制器，被編程將一個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。通過一個或多個充電－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)致的額外電容會影響電荷的流動，從而被檢測到。

通過使用智能信號處理，決策邏輯就非常可靠。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)的誤動作。另一項特性，就是相鄰按鍵抑制(Adjacent Key Suppression, 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)，對其進行比較以找出其中變化最大的一個，并最終以最大的信號變化確定用戶所選擇的按鍵。在接下來的時間里，只要這一按鍵的信號高于某個額定的閾值，AKS就會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)用中每個按鍵的靈敏度可單獨設(shè)定。這一點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)計愈加的重要，尤其對于消費類產(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傳感器采用了擴頻調(diào)制和在脈沖突發(fā)串之間加入長時間延遲的稀疏、隨機充電的方法。單個脈沖只有突發(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)點還包括QT器件已被編程為帶有自動漂移補償機制，以應(yīng)對由于時間流逝或環(huán)境條件改變帶來的信號的緩慢改變。這又克服了傳統(tǒng)電容傳感器的一個通病。

與傳統(tǒng)的電容性傳感器不同，QT技術(shù)的動態(tài)范圍有好幾個數(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(yīng)用，同時，在MP3播放器、LCD顯示器以及PC機中也有應(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。