傳感器設(shè)計(jì)意識(shí)：現(xiàn)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)顧問級(jí)工程師

摘要：本文介紹了傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些技巧，并著重介紹了典型金屬面板電容傳感器疊層結(jié)構(gòu)、塑料傳感器疊層結(jié)構(gòu)以及金屬與塑料共模面板及目標(biāo)層三種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

　　金屬面板電容(MoC)觸摸系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)在于其傳感器的靈活性。這也就是說，其傳感器設(shè)計(jì)可以多達(dá)數(shù)百種，通過各種部署方式實(shí)現(xiàn)相同的外觀和觸感。

　　面對(duì)如此眾多令人眼花繚亂的潛在可能，設(shè)計(jì)人員很難專注于一個(gè)具體的設(shè)計(jì)，除非其對(duì)不同的設(shè)計(jì)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(gòu)建一個(gè)MoC觸摸系統(tǒng)。而MoC設(shè)計(jì)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，以薄間隔層隔開的導(dǎo)電目標(biāo)層取代用戶的手指。當(dāng)用戶按壓目標(biāo)層時(shí)，目標(biāo)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(cè)的變化。電容觸摸界面(電子元件和軟件)將檢測(cè)電容的變化，并將這一按壓操作報(bào)告給系統(tǒng)。

　　這意味著傳感器與環(huán)境實(shí)現(xiàn)了電氣上的隔離，因而改善了噪聲、接近和串?dāng)_問題。接地目標(biāo)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)系的問題。由于傳感器的驅(qū)動(dòng)需要物理力，因此適用于盲文應(yīng)用程序和戴手套的用戶。而金屬面板的使用令最終產(chǎn)品擁有了更專業(yè)的外觀和觸感。

傳感器系統(tǒng)的構(gòu)建

　　構(gòu)建一個(gè)MoC傳感器系統(tǒng)需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電容傳感器、一個(gè)在傳感器上方開孔的間隔層以及一個(gè)導(dǎo)電的面板和目標(biāo)層。圖1所示為一個(gè)典型的傳感器疊層結(jié)構(gòu)。在這一結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電目標(biāo)層充當(dāng)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之后恢復(fù)原狀。

　　面板處于該疊層結(jié)構(gòu)的頂面，帶有標(biāo)記和按鍵圖例?？蓪?dǎo)電的目標(biāo)層充當(dāng)傳感電容器的另一個(gè)導(dǎo)電表面。二者一起向用戶提供相關(guān)信息，構(gòu)成傳感電容器的另一個(gè)接地層，并實(shí)現(xiàn)了按鍵的機(jī)械彈性。

　　在選擇面板和目標(biāo)層材料時(shí)需要考慮多項(xiàng)要素，包括按下按鍵需要多大的驅(qū)動(dòng)力、面板外觀、環(huán)境因素、按鍵是否需要背光以及面板和目標(biāo)層是否需要背光等。通常，最好將面板和目標(biāo)層的設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，因?yàn)槎呓?jīng)常需要緊密合作才能正常運(yùn)行。

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

　　驅(qū)動(dòng)力大小由面板和目標(biāo)層所使用金屬的厚度、按鍵大小、金屬?gòu)椥砸约懊姘搴湍繕?biāo)層的任何背面蝕刻之間的關(guān)系決定。大多數(shù)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(biāo)層中金屬的彈性是決定按鍵驅(qū)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(jí)的鋁材。而另一方面，鋁的屈服強(qiáng)度較低，在承受高驅(qū)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(qū)動(dòng)力情況下有足夠的彈性和在保證承受高驅(qū)動(dòng)力時(shí)有較高的屈服強(qiáng)度，以避免造成損壞二者之間的平衡。

　　在外觀方面，現(xiàn)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(biāo)記和打造特定的外觀，而陽極氧化鋁甚至可以印上照片級(jí)效果的圖像。

　　與環(huán)境相關(guān)的兩大問題是耐磨性和耐化學(xué)性，包括水在內(nèi)。不銹鋼可以耐受大多數(shù)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(xiàn)象，其耐磨性僅屬于中等水平。而經(jīng)過陽極氧化涂層處理的鋁材則具有良好的耐磨性，但是陽極氧化層屬多孔結(jié)構(gòu)，需要使用聚合物涂層進(jìn)行密封，否則容易生銹。

　　許多設(shè)計(jì)人員都傾向于避免使用金屬面板，因?yàn)樗麄冋`以為金屬面板不能實(shí)現(xiàn)背光功能。然而，事實(shí)上這是可以實(shí)現(xiàn)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阻擋灰塵和濕氣的方式實(shí)現(xiàn)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(dāng)作目標(biāo)層是第二種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法。這種方法與單一金屬層的設(shè)計(jì)一樣，在塑料面板表面制作標(biāo)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(dāng)傳感電容器的另一個(gè)接地極板。如圖2疊層結(jié)構(gòu)所示。

　　在這種設(shè)計(jì)中，驅(qū)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(qū)動(dòng)力越大。然而，盡管不銹鋼和鋁材的硬度相對(duì)較高，塑料的彈性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金屬。這樣，在保持相同驅(qū)動(dòng)力的條件下，就可以使用更厚的面板和目標(biāo)層。同時(shí)，它也更能耐受高彎曲角度，相對(duì)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(xiàn)代絲網(wǎng)印刷和涂層工藝也可以令塑料薄片呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)人員所需的任意一種類型的表面。而塑料基材的表面也可以完全或有選擇性地通過使用金屬涂層來打造光澤度高的外觀和標(biāo)記。

　　使用塑料的一個(gè)區(qū)別是在厚度更大的情況下會(huì)存在保持光學(xué)透明度的潛在問題。聚酯纖維材料可能會(huì)產(chǎn)生透明度問題，但是在用于傳感器設(shè)計(jì)的典型厚度范圍內(nèi)，這通常不是一個(gè)問題。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(shè)計(jì)人員應(yīng)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。

　　雖然在塑料面板設(shè)計(jì)中，水不再是主要的問題，但是耐磨性和耐化學(xué)性問題更加凸顯。另一個(gè)與環(huán)境相關(guān)的潛在問題是材料隨溫度變化而導(dǎo)致的尺寸穩(wěn)定性問題。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差異，粘合劑就會(huì)失去作用，從而導(dǎo)致假的觸發(fā)、易變的靈敏度以及傳感器之間顯著的串?dāng)_問題。

　　食品制備和醫(yī)療市場(chǎng)關(guān)注的一大環(huán)境問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(xiàn)背光的材料。塑料不僅能透光，還可實(shí)現(xiàn)縱向的光傳輸，因此，使用側(cè)光LED即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)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)施針孔開口，從而實(shí)現(xiàn)與所提及的針對(duì)堅(jiān)固金屬層的、成本更高的且背光選擇類似的效果。

金屬塑料共模設(shè)計(jì)

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

　　在共模設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)力也是由相同因素決定，與單使用金屬或塑料的設(shè)計(jì)一樣。不同之處在于，實(shí)際的力由兩種材料特性的加權(quán)平均值來決定。這一設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力大小將介于純塑料設(shè)計(jì)和純金屬設(shè)計(jì)兩個(gè)數(shù)值之間。不幸的是，驅(qū)動(dòng)力的精確計(jì)算在很大程度上依賴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(shù)值進(jìn)行平均計(jì)算，從而得到一個(gè)有用的近似值。首先，我們計(jì)算出兩個(gè)類似按鍵的驅(qū)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(jì)算出按鍵四周分別用了多少塑料和金屬，并根據(jù)按鍵四周兩種材料各自所占比例計(jì)算出兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力值。取兩個(gè)結(jié)果的平均值即可粗略估算出共模設(shè)計(jì)所需的驅(qū)動(dòng)力，通過改變所用金屬和塑料的比例即可調(diào)整所需驅(qū)動(dòng)力的大小，另外也可以通過在軟件中調(diào)整按鍵行程閾值來進(jìn)行微調(diào)。

　　傳感器外觀是該實(shí)現(xiàn)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輪廓并負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)傳感器的背光。使用如前所述的技巧即可通過現(xiàn)代絲網(wǎng)印刷和涂層工藝創(chuàng)造出設(shè)計(jì)人員所需的外觀效果。

　　在復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，耐磨性和耐化學(xué)性的影響也更為復(fù)雜。不僅必須選擇適合預(yù)期環(huán)境的金屬和塑料，還要考慮塑料相對(duì)于金屬的兼容性及粘合力。舉例來說，如果金屬的膨脹系數(shù)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(dǎo)致灰塵和濕氣潛入傳感器裝置。而如果塑料的膨脹系數(shù)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(dǎo)致虛假按壓發(fā)生。

　　在背光方面，塑料提供了一個(gè)途徑得以讓光通過金屬，既照亮了按鍵功能，又令按鍵輪廓更為醒目方便用戶識(shí)別。不幸的是，在設(shè)計(jì)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(dú)照明。

結(jié)論

　　有了這些不同的傳感器設(shè)計(jì)技巧，設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建新穎的用戶界面時(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論從美學(xué)角度還是人體工程學(xué)角度來看都真正獨(dú)特的控制裝置。然而，這些技巧并未窮盡一切可能，設(shè)計(jì)人員應(yīng)突破傳統(tǒng)思維模式，多與第三方創(chuàng)意設(shè)計(jì)服務(wù)提供商交流以獲取更多的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

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