过去几年来，触控已经成为下一代用户介面的标准输入方法，涵盖了从白色家电到智慧型手机和平板电脑的许多日常应用。然而，在一些表面不平坦或采用更多形状与元件开发的现代设计中增加触控功能，往往也更具挑战性。本文将讨论如何在具有不同厚度和曲面涂覆层的分离式按键等不均匀表面上实现触控侦测功能。

 

气隙填充

 

当在曲面内安装刚性感测器PCB时，在涂覆层和电容器感测器之间会产生空气间隙。PCB和涂覆层材料之间的气隙会降低电容器触控感测器的性能。由于空气的介电常数比大多数涂覆层材料要小得多，因此灵敏度也会下降。表1显示与空气相较一些常用涂覆层材料的介电常数。本文将讨论两种消除气隙主要方法：弹簧触点和可挠性PCB。

 

表1：材料属性估计(仅供参考，实际值需与设计者确认)。

 

使用弹簧触点

 

弹簧和导电橡胶或碳触点能够有效地去除PCB和涂涂覆层之间的气隙。在无法将电极PCB固定到涂覆层的应用中，导电橡胶或碳触点能有效地消除较小的空气间隙，而更大的气隙可用弹簧去除。

 

图1：导电橡胶可用来去除涂覆层和PCB之间的微小气隙。。

 

图2：焊接到PCB焊盘上的简单螺旋型弹簧，可用于消除感应电极和涂覆层间的较大气隙。

 

使用弹簧将电极连接到涂覆层的缺点是，触控电极的表面积受限于所用弹簧的尺寸。根据公式1所示的平行载板公式，表面积小意味着灵敏度低。这将限制涂覆层的可用厚度，或一定厚度下涂覆层的相对介电常数。

 

为了提高灵敏度，可以使用导电带(金属箔)。这种导电带可黏贴到涂覆层上，当弹簧压向它时可以提供更大的表面积。在涂覆层要求透明(如适应背光照明)的应用中，可以考虑使用诸如掺铟氧化锡(ITO)等透明的导电薄膜。还有一种方法是在弹簧顶端使用电池端子常用的那种金属板。

 

公式1显示平行载板电容器公式，其中A是焊盘的面积，ε_0是空气的介电常数，ε_r是涂覆层材料的相对介电係数，d是涂覆层的厚度。弹簧也可以连接到导电漆的表面。导电漆可以用在触控按键区周围，提供更大的表面积(A)，以增加接近侦测距离。导电漆可应用于任何不均匀的表面。

 

涂覆层的塑模支柱

 

Azoteq公司的最新一代触控控制器提供了消除空气间隙的另外一种方法。如IQS333和IQS360等新款控制器让设计者可用较便宜的非导电材料消除任何气隙。例如，在製造作为涂覆层的塑模元件时，可在触控位置增加支柱，如图3所示。

 

图3：塑模涂覆层在电极上形成支柱，因而消除气隙。

 

可挠性PCB

 

在一些应用中，触控按键的间距要求感应电极必须接近放置。在这些应用中，弹簧或橡胶触点不是最好的选择。设计者可能必须使用更具方向性的投射式电容器感应方法。一些应用要求在按键之间提供保护遮罩，因而必须在自电容器电极之间增加接地，以降低多点触控的风险。

 

在这类应用中，设计人员可透过搭配曲面来消除气隙，这可以透过使用双面胶带将可挠性电路板(FPC)固定到曲线上来建置。设计者可选择製作完整的FPC模组，其中包括触控控制器和感应电极。另外一种方法是在FPC上只放置感应电极，然后透过电缆连接器或FPC软板连接到控制器。

 

图4：採用自电容器触控电极的FPC与FPC软板。

 

在为3D表面(两个或更多方向的曲面，见图5)进行设计时必须特别小心。将FPC安装到3D曲面可能必须裁剪以便顺利安装而不致于形成气隙。在具有较大曲面和出现气隙风险的情况下，最简单的方法是使用带弹簧触点的固定PCB。

 

图5：3D曲面示意图。

 

一种替代方法是保持PCB面平坦(以便能使用与涂覆层间没有气隙的普通平面PCB)，只在进行用户互动的另一面有弯曲。这样还能简化製造过程，特别是对具有难度的材料(如木材涂覆层)来说。这种方法确实会形成不均匀的涂覆层厚度，但在电极设计中可以得到补偿。本文接下来讨论不同的电极设计。

 

设计者应该还记得，对于无需太大曲面的PCB应用中，採用较薄的FR4 PCB(0.1-0.2mm)可为FPC提供更具成本效益的解决方桉。

 

在将元件放置到可挠性PCB上时，必须十分小心地摆放在不会弯曲的区域，才能降低元件故障(如电容器破裂)的风险。

 

标准FPC的一个变化是，出于背光照明的目的，将ITO或PEDOT薄膜用于需要透明电极的透明涂覆层中。

 

如何补偿曲面

 

在一些应用中，保持覆层材料的厚度不变经常很困难，主要原因是喷射模塑的塑料部件要符合设计的形状和硬度，或者要求均匀的背光照明以适应光线漫射层。

 

图6：将平坦PCB安装到具有弯曲外表面的覆层将形成不均匀的厚度。电极版图可以对此进行补偿。

 

针对较厚覆层的电极形状

 

尽管Azoteq公司的电容触摸传感器完全可以针对每个通道的灵敏度设置进行定制，并且针对灵敏度选择提供可调的检测阈值，但是设计师也可以通过补偿电极设计中覆层材料厚度的变化，来节省细微调整每个电极灵敏度的时间。对于投射式电容来说，Tx和Rx电极之间较大的间隙将提供更高的灵敏度(但会降低稳定性)，或者在电极中使用更厚的接收器可以支持更厚的覆层(但会降低抗传导性噪声能力)。图7显示了(用于投射式电容传感的)同一设计在不同覆层厚度(为了提高灵敏度)时的不同电极变化。

 

图7：按灵敏度递增顺序排列的投射式按钮版图。红色代表Tx电极，黄色代表Rx电极，白色代表PCB切割部分。图中三个按钮的尺寸都是相同的。

 

对自电容传感来说，更大的电极可以提供更高的灵敏度，而避免会形成场力线集中的锐角转角可以允许更厚的覆层。

 

图8显示了(针对自电容传感的)同一设计在不同覆层厚度时的不同电极变化(按灵敏度递增顺序排列)。

 

图8：按灵敏度递增顺序排列的自电容按钮图。提高灵敏度的方法是增加电极尺寸，消除可能形成场力线集中的锐角转角。

 

在一些应用中，覆层不是完全固定的。在使用薄覆层的应用中很有这种可能，此时空气间隙会很小，当施加过大的触摸力时覆层会产生移动。在这些情况下，选择正确的触摸控制器非常重要。举例来说，使用Azoteq提供的具有Dycal功能的器件(如IQS228)可以在发生触摸释放事件时(当用户释放覆层时)通过重新校准传感电极避免粘连状态。在一些应用中，设计师可能希望覆层是可移动的。一个可能的例子是要求二级触摸激活——第一级是零压力触摸触发，当推动按钮压下金属弹片时发生第二级激活。

 

在这种情况下，设计师可以选择为活动部件中的触摸电极放置第二块PCB(图9)。这块电极PCB可以通过FPC尾部连接到主PCB，因为这种FPC尾部具有足够的灵活性，能够适应这种移动。第二种方法是在金属弹片周围设计触摸电极进行检测，如图10所示，而不是在弹片上方。

 

图9：实用的两级触摸，一级是零压力触摸，一级是按压金属弹片。

 

图10：用于在金属锅仔片周围进行检测的投射式电极版图。

 

图11显示的电极版图具有足够的灵敏度来检测覆层被按压之前的零压力触摸事件。这类版图也可以与厚的橡胶覆层一起使用，或者与内部模塑了锅仔片的覆层一起使用。

 

图11：适应在金属弹片周围进行触摸检测的电极设计。(a)投射式电容电极版图，(b)自电容版图。

 

一些传感器(如IQS360)具有吸合检测功能，允许设计师将来自按钮的小型Tx和Rx尾部放在金属弹片下方。当用户触摸覆层时就能检测到触摸，吸合输出则在按下金属弹片时产生。

 

图12：圆形投射式按钮版图，由Tx和Rx尾部提供稳定性。Tx和Rx之间足够的间距允许通过金属弹片内部的厚覆层和空间进行检测，从而实现吸合/点击功能。

 

将FPC/FFC连接到PCB

 

在将FPC用作触摸和接近电极的应用中，设计师有多种方法将FPC连接到主PCB。

 

FFC电缆可以用于连接FPC电极和主PCB。市场上也有各种柔性连接器，它们具有不同的引脚数量和间距。虽然使用方便，但柔性连接器很贵。

 

图13：具有5个引脚的柔性连接器例子，可用于连接FFC电缆和PCB。

 

更具成本效益的方法是使用各向异性导电薄膜(ACF)热压力接合工艺。ACF是一种成熟的组装技术，它将FPC尾部直接焊接到PCB，并在最终组装时结合了热和压力效应。