键盘、小键盘与控制面板技术的发展趋势

一旦人机界面（MMI）中需要开关或按钮，系统设计师就不得不面对究竟选择何种技术来完成这一任务的困扰。在许多应用中，尤其是在价格敏感的消费类产品中，平板（或准平板）开关以及小键盘/键盘已经取代了传统的机械开关。所采用的技术包括阻性薄膜开关面板、压电开关面板以及基于电容感测的触摸面板。本文将对这些技术方案的典型构造以及优点与缺点进行简要的介绍，然后将对最近出现的新兴电荷转移感测技术进行分析。该技术能够解决许多其它技术所固有的问题，并且其成本对批量生产的消费类应用也颇具吸引力。

薄膜开关

最简单的，也是最廉价的阻性薄膜开关由一个柔性的顶层、一个绝缘隔离片和置于其下的基板层所构成。顶层的外表面通常印有图形或文字，其下表面则敷有导电的图案，通常由银或碳质导电油墨印制。其下面的基板层也敷有与之相匹配的导电图案。当通过隔离片上的孔洞将两个导电层按压到一起，就相当于接通了开关。整个组件用胶粘合在一起。当用户需要触觉的反馈时，可以在组件后面放置一个金属或塑料的穹顶构件，以在按压开关时产生"喀嗒"的感觉，而且还可以在组件的表面轧上花纹来引导用户的指尖到各个按钮或开关的中心位置。在价格比机械式开关低廉的同时，可以严格地密封，而且其表面印制的图形可以有多种变化。薄膜开关也具有很多缺点。首先，要使其有效接触需要施加比较大的物理作用力。对于一个简单的平板式薄膜开关，这个力的大小通常在0.5N（牛顿）到3N之间，而对于触感型则应当在1.5N到5N之间。此外，还需要一定的物理移动距离以使开关接触到一起，对于平板式小键盘，此距离为0.1至0.5mm，而对于触感型则为0.5到1.2mm。这两个因素结合到一起就对薄膜开关上部所选用的覆盖物的刚度和厚度有着比较严格的限制。同时，还对键盘的操作速度以及用户使用的轻松程度带来限制。还有就是，由于机械运动带来的磨损，按键的触感会随时间的流逝而逐渐降低。这就导致对于不同的按键需要不同的力度和角度才能保证其可靠地接触。

压电开关

与阻性薄膜开关相比压电开关具备一些优势。压电效应是一些特定的晶体材料所具备的特性，包括天然的石英晶体、酒石酸钾晶体、电气石以及如钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）之类的人造陶瓷材料。在这些材料上施加机械压力时，其晶格结构会产生和压力成正比的电压和电荷。（反之，如果在其上施加一定的电场，晶格结构的变形会导致材料尺寸的改变。）

这种开关只需要几乎可以忽略的物理移动，通常在1µm 到10µm之间就能产生可用的开关电压或电荷。事实上，是简单的施加外力而不是物理移动产生了开关元件的输出。这种开关元件使用的是一个压电晶片。其表层，也就是用户所看到的部分，可以印刷、盖制或压出所需要的信息。压电晶片插入到一个冲压而成的绝缘层（套）中，这个绝缘层又被夹到组成开关触点的两层导电薄片之间。最后，由一个承载盘支撑着整个组件，参见图1。

高速控制键盘工作时需要施加的力小于1N。工业开关则需要施加3N到5N的力。压电键盘所使用的晶片的厚度通常约为200微米，当施加以1N的力时其输出则为1VDC左右。在最近的几年里，压电油墨已经在部分设计中取代了压电晶片的位置，主要是为了降低组装成本，但相应的代价是必须施加更大的力才能产生足以检测出开关动作的电压。当施加的压力增加时，压电单元的输出电压与之对应呈线性增加的趋势。具体的输出电压数值取决于环境温度、作用力和速度，还涉及到覆盖材料的厚度以及种类。这么多的变数，就需要复杂的电子系统来处理需要开关正常工作运行的环境条件和物理操作的大范围变化带来的影响。这种复杂的结构导致了与其它键盘技术相比其成本昂贵，但当出于美学或安全原因必须使用金属覆盖层时，压电开关的优势是显而易见的。

电容性传感器

电容性按钮和开关分为两个基本类型：需要机械按键来触发的类型，如图2所示，和只需要接近或触摸的类型。按键触发型的结构相对比较复杂，包含了机械运动部件，但如何使其机械结构更加坚固是目前面临的挑战。尽管如此，它还是在PC机键盘上得到了广泛的应用。其上半片由印制有作为上部电极导电薄膜的塑料膜片构成，下半片是一片带有作为电容单元下部电极的导电线路的印刷电路板。

触摸或接近型键盘省略了机械运动部件，替代的是利用操作者的手指影响在电极或电容上的电荷电平。其感测电极可以放置到任何绝缘层（通常为玻璃或塑料材料）的后面，而且很容易制成与周围环境相密封的键盘。但是，采用此项颇具吸引力的技术也会因其一些技术挑战而引发困扰。

首先就是触摸感测需要测量或检测电容上的电荷或电荷电平。表明触摸已经发生的变化程度必须编程到微控制器中。换句话说，系统必须进行校准。问题是电荷电平的改变可以由许多外界的影响而产生。静电放电和电磁干扰可以引发误动作，而且温度的改变也会影响到校准。湿气或其它污染物在表面的堆积都会影响其精确性和可重复操作性。最后，还很难制造带有不同形状和尺寸按键的键盘，而这一点却又常常是电子设备制造商迫切寻求，以美化其产品外形从而增加市场竞争力的要素。但通过各种机械或电子的补偿方法克服这些点却又使得传统的电容感测技术的成本高昂，因而在很多应用场合并不适合，尤其是成本敏感的消费类电器。新兴的电荷转移感测技术在克服了上述所有问题的同时，在价格上也对批量生产消费类产品的公司极具吸引力。