過去幾年來，觸控已經(jīng)成為下一代用戶介面的標(biāo)準(zhǔn)輸入方法，涵蓋了從白色家電到智慧型手機和平板電腦的許多日常應(yīng)用。然而，在一些表面不平坦或采用更多形狀與元件開發(fā)的現(xiàn)代設(shè)計中增加觸控功能，往往也更具挑戰(zhàn)性。本文將討論如何在具有不同厚度和曲面涂覆層的分離式按鍵等不均勻表面上實現(xiàn)觸控偵測功能。
氣隙填充
當(dāng)在曲面內(nèi)安裝剛性感測器PCB時，在涂覆層和電容器感測器之間會產(chǎn)生空氣間隙。PCB和涂覆層材料之間的氣隙會降低電容器觸控感測器的性能。由于空氣的介電常數(shù)比大多數(shù)涂覆層材料要小得多，因此靈敏度也會下降。表1顯示與空氣相較一些常用涂覆層材料的介電常數(shù)。本文將討論兩種消除氣隙主要方法：彈簧觸點和可撓性PCB。
表1：材料屬性估計(僅供參考，實際值需與設(shè)計者確認(rèn))。
使用彈簧觸點
彈簧和導(dǎo)電橡膠或碳觸點能夠有效地去除PCB和涂涂覆層之間的氣隙。在無法將電極PCB固定到涂覆層的應(yīng)用中，導(dǎo)電橡膠或碳觸點能有效地消除較小的空氣間隙，而更大的氣隙可用彈簧去除。
圖1：導(dǎo)電橡膠可用來去除涂覆層和PCB之間的微小氣隙。。
圖2：焊接到PCB焊盤上的簡單螺旋型彈簧，可用于消除感應(yīng)電極和涂覆層間的較大氣隙。
使用彈簧將電極連接到涂覆層的缺點是，觸控電極的表面積受限于所用彈簧的尺寸。根據(jù)公式1所示的平行載板公式，表面積小意味著靈敏度低。這將限制涂覆層的可用厚度，或一定厚度下涂覆層的相對介電常數(shù)。
為了提高靈敏度，可以使用導(dǎo)電帶(金屬箔)。這種導(dǎo)電帶可黏貼到涂覆層上，當(dāng)彈簧壓向它時可以提供更大的表面積。在涂覆層要求透明(如適應(yīng)背光照明)的應(yīng)用中，可以考慮使用諸如摻銦氧化錫(ITO)等透明的導(dǎo)電薄膜。還有一種方法是在彈簧頂端使用電池端子常用的那種金屬板。
公式1顯示平行載板電容器公式，其中A是焊盤的面積，ε_0是空氣的介電常數(shù)，ε_r是涂覆層材料的相對介電係數(shù)，d是涂覆層的厚度。彈簧也可以連接到導(dǎo)電漆的表面。導(dǎo)電漆可以用在觸控按鍵區(qū)周圍，提供更大的表面積(A)，以增加接近偵測距離。導(dǎo)電漆可應(yīng)用于任何不均勻的表面。
涂覆層的塑模支柱
Azoteq公司的最新一代觸控控制器提供了消除空氣間隙的另外一種方法。如IQS333和IQS360等新款控制器讓設(shè)計者可用較便宜的非導(dǎo)電材料消除任何氣隙。例如，在製造作為涂覆層的塑模元件時，可在觸控位置增加支柱，如圖3所示。
圖3：塑模涂覆層在電極上形成支柱，因而消除氣隙。
可撓性PCB
在一些應(yīng)用中，觸控按鍵的間距要求感應(yīng)電極必須接近放置。在這些應(yīng)用中，彈簧或橡膠觸點不是最好的選擇。設(shè)計者可能必須使用更具方向性的投射式電容器感應(yīng)方法。一些應(yīng)用要求在按鍵之間提供保護遮罩，因而必須在自電容器電極之間增加接地，以降低多點觸控的風(fēng)險。
在這類應(yīng)用中，設(shè)計人員可透過搭配曲面來消除氣隙，這可以透過使用雙面膠帶將可撓性電路板(FPC)固定到曲線上來建置。設(shè)計者可選擇製作完整的FPC模組，其中包括觸控控制器和感應(yīng)電極。另外一種方法是在FPC上只放置感應(yīng)電極，然后透過電纜連接器或FPC軟板連接到控制器。
圖4：採用自電容器觸控電極的FPC與FPC軟板。
在為3D表面(兩個或更多方向的曲面，見圖5)進行設(shè)計時必須特別小心。將FPC安裝到3D曲面可能必須裁剪以便順利安裝而不致于形成氣隙。在具有較大曲面和出現(xiàn)氣隙風(fēng)險的情況下，最簡單的方法是使用帶彈簧觸點的固定PCB。
圖5：3D曲面示意圖。
一種替代方法是保持PCB面平坦(以便能使用與涂覆層間沒有氣隙的普通平面PCB)，只在進行用戶互動的另一面有彎曲。這樣還能簡化製造過程，特別是對具有難度的材料(如木材涂覆層)來說。這種方法確實會形成不均勻的涂覆層厚度，但在電極設(shè)計中可以得到補償。本文接下來討論不同的電極設(shè)計。
設(shè)計者應(yīng)該還記得，對于無需太大曲面的PCB應(yīng)用中，採用較薄的FR4 PCB(0.1-0.2mm)可為FPC提供更具成本效益的解決方桉。
在將元件放置到可撓性PCB上時，必須十分小心地擺放在不會彎曲的區(qū)域，才能降低元件故障(如電容器破裂)的風(fēng)險。
標(biāo)準(zhǔn)FPC的一個變化是，出于背光照明的目的，將ITO或PEDOT薄膜用于需要透明電極的透明涂覆層中。
如何補償曲面
在一些應(yīng)用中，保持覆層材料的厚度不變經(jīng)常很困難，主要原因是噴射模塑的塑料部件要符合設(shè)計的形狀和硬度，或者要求均勻的背光照明以適應(yīng)光線漫射層。
圖6：將平坦PCB安裝到具有彎曲外表面的覆層將形成不均勻的厚度。電極版圖可以對此進行補償。
針對較厚覆層的電極形狀
盡管Azoteq公司的電容觸摸傳感器完全可以針對每個通道的靈敏度設(shè)置進行定制，并且針對靈敏度選擇提供可調(diào)的檢測閾值，但是設(shè)計師也可以通過補償電極設(shè)計中覆層材料厚度的變化，來節(jié)省細(xì)微調(diào)整每個電極靈敏度的時間。對于投射式電容來說，Tx和Rx電極之間較大的間隙將提供更高的靈敏度(但會降低穩(wěn)定性)，或者在電極中使用更厚的接收器可以支持更厚的覆層(但會降低抗傳導(dǎo)性噪聲能力)。圖7顯示了(用于投射式電容傳感的)同一設(shè)計在不同覆層厚度(為了提高靈敏度)時的不同電極變化。
圖7：按靈敏度遞增順序排列的投射式按鈕版圖。紅色代表Tx電極，黃色代表Rx電極，白色代表PCB切割部分。圖中三個按鈕的尺寸都是相同的。
對自電容傳感來說，更大的電極可以提供更高的靈敏度，而避免會形成場力線集中的銳角轉(zhuǎn)角可以允許更厚的覆層。
圖8顯示了(針對自電容傳感的)同一設(shè)計在不同覆層厚度時的不同電極變化(按靈敏度遞增順序排列)。
圖8：按靈敏度遞增順序排列的自電容按鈕圖。提高靈敏度的方法是增加電極尺寸，消除可能形成場力線集中的銳角轉(zhuǎn)角。
在一些應(yīng)用中，覆層不是完全固定的。在使用薄覆層的應(yīng)用中很有這種可能，此時空氣間隙會很小，當(dāng)施加過大的觸摸力時覆層會產(chǎn)生移動。在這些情況下，選擇正確的觸摸控制器非常重要。舉例來說，使用Azoteq提供的具有Dycal功能的器件(如IQS228)可以在發(fā)生觸摸釋放事件時(當(dāng)用戶釋放覆層時)通過重新校準(zhǔn)傳感電極避免粘連狀態(tài)。在一些應(yīng)用中，設(shè)計師可能希望覆層是可移動的。一個可能的例子是要求二級觸摸激活——第一級是零壓力觸摸觸發(fā)，當(dāng)推動按鈕壓下金屬彈片時發(fā)生第二級激活。
在這種情況下，設(shè)計師可以選擇為活動部件中的觸摸電極放置第二塊PCB(圖9)。這塊電極PCB可以通過FPC尾部連接到主PCB，因為這種FPC尾部具有足夠的靈活性，能夠適應(yīng)這種移動。第二種方法是在金屬彈片周圍設(shè)計觸摸電極進行檢測，如圖10所示，而不是在彈片上方。
圖9：實用的兩級觸摸，一級是零壓力觸摸，一級是按壓金屬彈片。
圖10：用于在金屬鍋仔片周圍進行檢測的投射式電極版圖。
圖11顯示的電極版圖具有足夠的靈敏度來檢測覆層被按壓之前的零壓力觸摸事件。這類版圖也可以與厚的橡膠覆層一起使用，或者與內(nèi)部模塑了鍋仔片的覆層一起使用。
圖11：適應(yīng)在金屬彈片周圍進行觸摸檢測的電極設(shè)計。(a)投射式電容電極版圖，(b)自電容版圖。
一些傳感器(如IQS360)具有吸合檢測功能，允許設(shè)計師將來自按鈕的小型Tx和Rx尾部放在金屬彈片下方。當(dāng)用戶觸摸覆層時就能檢測到觸摸，吸合輸出則在按下金屬彈片時產(chǎn)生。
圖12：圓形投射式按鈕版圖，由Tx和Rx尾部提供穩(wěn)定性。Tx和Rx之間足夠的間距允許通過金屬彈片內(nèi)部的厚覆層和空間進行檢測，從而實現(xiàn)吸合/點擊功能。
將FPC/FFC連接到PCB
在將FPC用作觸摸和接近電極的應(yīng)用中，設(shè)計師有多種方法將FPC連接到主PCB。
FFC電纜可以用于連接FPC電極和主PCB。市場上也有各種柔性連接器，它們具有不同的引腳數(shù)量和間距。雖然使用方便，但柔性連接器很貴。
圖13：具有5個引腳的柔性連接器例子，可用于連接FFC電纜和PCB。
更具成本效益的方法是使用各向異性導(dǎo)電薄膜(ACF)熱壓力接合工藝。ACF是一種成熟的組裝技術(shù)，它將FPC尾部直接焊接到PCB，并在最終組裝時結(jié)合了熱和壓力效應(yīng)。
