專利名稱：整體式壓電觸摸按鍵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種觸摸按鍵，尤其涉及一種整體式壓電觸摸按鍵。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷在外力的作用下可產(chǎn)生電荷這一現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)幾十年了 。目前已知的壓電材料 有幾十種。早期發(fā)現(xiàn)的壓電材料主要是石英和電氣石等一些單晶材料，后來發(fā)現(xiàn)了羅息鹽 等類鐵電體以及一些生物體也具有壓電性，不過這些早期的壓電材料由于壓電及工藝性能 較差，很難滿足工業(yè)應用的要求，限制了壓電技術(shù)的發(fā)展。在1942-1945年期間，美國、 前蘇聯(lián)及日本的科學家發(fā)現(xiàn)鐵酸制(BaTi0 3)是鐵電體，極化后具有壓電性能。鐵酸壩陶瓷 的發(fā)現(xiàn)促進壓電材料的發(fā)展，它不但使壓電材料從一些單晶體材料發(fā)展到壓電陶瓷等多晶 體材料，而且在壓電性能上也有了大幅度提高。后來人們發(fā)現(xiàn)了鋯鐵酸鉛PbZr03-Pb Ti 03(PZT)圓溶體系統(tǒng)有非常強及穩(wěn)定的壓電性能。到目前，PZT系陶瓷兒乎己完全取代了 BaTi03系陶瓷。本項目所采用的壓電發(fā)電材料即是PZT。
由于以往壓電材料的機電轉(zhuǎn)換效率較低、電子器件所需功耗較大，壓電發(fā)電功率不能 滿足使用要求。隨著人們對壓電材料的深入研究，壓電材料的發(fā)電能力得到了很大的提高， 另一方面，人們不斷推出具有超低功耗的電子元件、集成芯片，也掌握了超低功耗電路系 統(tǒng)的設計方法。兩者的結(jié)合讓壓電發(fā)電裝置作為低功耗電子產(chǎn)品的能量來源成為可能。
現(xiàn)有的按鍵，不防水，按鍵表面弧度不能任意變化，成本高。

實用新型內(nèi)容
本實用新型要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提出一種整體式壓電觸摸按鍵。
本實用新型整體式壓電觸摸按鍵，其特征在于包括壓電按鍵組和主電路，其中壓電按 鍵組由上至下依次為頂部保護膜、壓電模塊、FPC和底部保護膜，主電路由電阻網(wǎng)絡、微 處理器和濾波電路依次串聯(lián)組成；所述壓電模塊的正極接頂部保護膜的下表面，壓電模塊的負極接FPC的上表面，F(xiàn)PC的下表面接底部保護膜的上表面，F(xiàn)PC的輸出端接電阻網(wǎng)絡 的輸入端。
本實用新型可以防水，防濕氣，防腐，更有很強的抗干擾性。這樣對于一些高阻感應 材料如ITO配合使用時，方案的可靠性更高。本項目的發(fā)明，可使得按鍵的外觀設計更有 創(chuàng)新空間，能改變傳統(tǒng)設計外觀的木納，繁雜，使得按鍵外觀可以有彎曲，折疊等等各種 形狀供設計人員參考。給人以更新穎獨特，簡單大方的印象；同時使用也更加具有人性化， 除了控制上簡單，維護更簡單，清潔起來也更容易。由于壓電陶瓷觸摸按鍵不需要機械結(jié) 構(gòu)，相比傳統(tǒng)的機械按鍵和薄膜按鍵有著不可比擬的優(yōu)勢。按鍵的基本性能如行程，操作 力和機械壽命主要是由按鍵的類型和材料決定的。使用壓電陶瓷觸摸按鍵，無需機械結(jié)構(gòu)， 按鍵表面只是一層薄薄的特殊材料做成的壓電陶瓷，非常耐用，操作也只需要輕輕觸碰。 基本使用壽命在1000W次以上。


圖1:本實用新型整體結(jié)構(gòu)圖2:本實用新型壓電按鍵組結(jié)構(gòu)圖3:本實用新型軟件流程圖。
具體實施方式
如圖1和圖2所示。本實用新型整體式壓電觸摸按鍵，其特征在于包括壓電按鍵組和 主電路，其中壓電按鍵組由上至下依次為頂部保護膜、壓電模塊、FPC和底部保護膜，主 電路由電阻網(wǎng)絡、微處理器和濾波電路依次串聯(lián)組成；所述壓電模塊的正極接頂部保護膜 的下表面，壓電模塊的負極接FPC的上表面，F(xiàn)PC的下表面接底部保護膜的上表面，F(xiàn)PC 的輸出端接電阻網(wǎng)絡的輸入端。
本實用新型的設計方法采用交叉式的方式。這樣可以減少按鍵之間的相互影響，穿透 覆蓋層的能力較差。因為覆蓋層較薄，所以需要按鍵之間有良好的隔離。壓片陶瓷的尺寸， 采用和拇指大小對應的尺寸。以達到最好的靈敏度，實現(xiàn)良好的傳感。在PCB板布線上， 接地面和按鍵在于印制板的同一側(cè)采用0.5mm間隙尺寸，可以很好使電場穿透覆蓋層。在 走線的布置上，PCB上連接PAD跟IC引腳的銅線越短越好。走線的寬度會增加系統(tǒng)中銅 覆蓋的面接，從而提高傳感器的電容值，同時也會增加與其他元件的耦合機會。本項目采 用的走線寬度為0.2mm.在走線的位置上盡可能的減少與其他元器件的互感。沒有接近或并 行于高頻通信線路，以達到減少干擾的目的。
本實用新型則將壓電發(fā)電技術(shù)與業(yè)界以低功耗著稱的MSP430系列單片機一起，研發(fā)
4出了新一代的壓電陶瓷觸摸按鍵。本實用新型的實現(xiàn)徹底顛覆了傳統(tǒng)按鍵的設計方法。大 大的延長了按鍵的使用壽命，使按鍵無限壽命成為可能。可廣泛應用于消費類電子產(chǎn)品，例 如LCDTV/Monitor,DPF，小家電，家庭音箱，教育類、玩具類、PC周邊類、手持通訊類等產(chǎn)
品。MSP430系列單片機實現(xiàn)觸摸方式有兩種方式1: RC (阻容)方式；2: RO (松弛振
蕩)方式。本項目采用的是RC (阻容)方式。RC方式實現(xiàn)按鍵的檢測使用？1^ 2乂端口。 在軟件上，重點是基準電容的檢測。實現(xiàn)壓電陶瓷觸摸按鍵時，檢測電容充放電時間的精 度將受到外界環(huán)境的影響，如系統(tǒng)供電電源，定時器計時的頻率高低及外部50/60HZ主 頻干擾，以上諸多因素都可能在一定程度上影響測量結(jié)果。對于此種影響，我們可以采用 軟件濾波算法，或者采用對多個測量取平均，來處理測量結(jié)果。
如圖3所示。軟件的設計包含3個部分感應按鍵的基準電壓檢測，單個按鍵更功能 的實現(xiàn)，多路按鍵的復用。
1:基準電壓檢測
基準電壓為按鍵未被觸時的電壓狀態(tài)，即PCB板上"焊盤"的感應電壓。在檢測感應電
壓的觸摸或滑動按鍵功能之前，基準電壓的檢測是軟件算法中非常重要的一個關(guān)鍵步驟， 因為我們需要根據(jù)基準電壓的大小設定一個按鍵閾值，判斷有無按鍵按下。同時，電源電
壓的穩(wěn)定性、PCB材質(zhì)、周圍環(huán)境如溫度、濕度等因素都會影響基準電壓的檢測，所以在 實現(xiàn)電壓式觸摸感應按鍵時需"動態(tài)"檢測該基準電壓值，否則當外界環(huán)境改變而影響基準 電壓時，設定的按鍵閾值相應會有偏差，從而引起按鍵的誤操作。
本項目采用的是一種"動態(tài)"檢測基準電壓值和根據(jù)基準電壓值變化調(diào)整按鍵閾值的方 法，每一個按鍵均需要單獨使用這種方法進行檢測，流程圖中的變量"BASE"基準值并不是 反應實際"焊盤"按鍵的感應電壓值的增加或減小，而是軟件算法中的調(diào)整變量。
完成一次檢測后，首先確定是否檢測到有效按鍵按下，本項目采用設定一個"最小檢測 閾值"，只有當檢測結(jié)果的變化值達到這個"最小檢測閾值"時，確認為一次有效按鍵，而"最 小檢測閾值"比實現(xiàn)一個簡單的ON/OFF時在程序中實際所設定的基準閾值會小很多。當沒 有觸摸按鍵時，空按鍵寄生電壓放電時間單位為10;當手指觸摸按鍵時，按鍵電壓放電時 間最小為20，則可以將"最小檢測閾值"設置為中間值15。
當檢測到?jīng)]有按鍵按下時，調(diào)整"BASE"值，由檢測到基準電壓值大小的改變情況決定
5如何調(diào)整"BASE"值，當檢測到按鍵基準電壓減小時，"BASE"值相應地自動減小。當按鍵 按下時，所檢測到的電壓值肯定增大，所以當程序檢測到按鍵基準電壓變小時，那么實際 的基準電壓肯定是變小了，此時可以將"BASE"值與新檢測到的結(jié)果做平均運算，同時將得 到的平均值作為新的"BASE"值，作為下一次的判斷標準。
當檢測結(jié)果表明基準電壓增大時，則須降低檢測基準電壓的速度，此時基準電壓的增 加，可能為基準電壓真的增大了，或者可能是當手指正在靠近PCB上的感應按鍵時引起的， 此時過快調(diào)整"BASE"值，將導致有手指按下時檢測不到按鍵被按下。如果在沒有手指觸摸 時檢測到基準電壓值增加，那么可以在程序中進行簡單的調(diào)整，即將"BASE"值進行加1操 作。
2:單個按鍵功能的實現(xiàn)
單個按鍵的檢測即為開關(guān)按鍵的檢測，觸摸按鍵的靈敏度和電壓的變化值對按鍵操作 的影響相對來說比較小，檢測4個感應電壓，未觸摸的按鍵被測量出的結(jié)果只是一個基準 數(shù)值，即基準電壓的充放電數(shù)值，第二個按鍵由于手指觸摸后感應電壓壓量的增加，所以 增加一個最大計數(shù)值，每一個按鍵的靈敏度要根據(jù)所設定的按鍵閾值決定，該閾值在基準 電壓和觸摸的最大計數(shù)值之間調(diào)整，同時，設定閾值大小時須考慮到外界檢測噪音的影響， 以提高檢測的準確性與按鍵的可靠性、穩(wěn)定性。
3:多路按鍵復用實現(xiàn)
實現(xiàn)多路觸摸按鍵時，經(jīng)常需要多個觸摸按鍵點，當利用MSP430系列微控制器的I/O 口實現(xiàn)觸摸按鍵時，可能I/0口數(shù)量不夠，此時可以采用多個按鍵共用一個1/0 口來實現(xiàn)。 一個1/0 口接幾個觸摸按鍵，當一個按鍵按下時，I/O 口會檢測到幾個按鍵同時被按下的情 況，那么這種情況下就需要相鄰近幾個鍵的檢測值來判斷為哪個按鍵被按下。實際被按下 為中間指示的按鍵，但是兩側(cè)的按鍵也被檢測到按下，即只有中間按鍵的、左右兩按鍵的 電壓值略增加，此時可以通過軟件判斷是中間按鍵被按下。
4:按鍵碼輸出方式
采用MSP430系列單片機有多個型號的芯片供選擇，可根據(jù)具體應用分別采用并口， 串口， SPI總線，12C總線，RS485總線，CAN總線等數(shù)字輸出方式，也可以采用DA輸出 模擬信號，直接取代原來采用模擬方式按鍵輸入的場合。
6其中串口， SPI總線，I2C總線適合在體積小的嵌入式場合，例如手持設備，移動電話 中，具有占用I/O 口線少的特點。采用DA輸出方式時，可以應用MSP430單片機的PWM 模塊產(chǎn)生模擬電壓，或者電阻網(wǎng)絡生成模擬電壓，而不必采用帶DA模塊的芯片，從而減 低成本，適用于對成本極端敏感的消費類電子產(chǎn)品中，而電阻網(wǎng)絡生成模擬電壓具有電磁 輻射小的特點，能提高產(chǎn)品的EMC性能。
5:低功耗控制
傳統(tǒng)的按鍵檢測芯片功耗較大，本方案中采用微功耗的MSP430系列單片機，能有效 降低按鍵模塊的待機電流，延長了電池的使用壽命，因此特別適合于手持設備，移動電話， 綠色家電中。模塊在待機時靜態(tài)電流小于1毫安。
權(quán)利要求1.一種整體式壓電觸摸按鍵，其特征在于包括壓電按鍵組和主電路，其中壓電按鍵組由上至下依次為頂部保護膜、壓電模塊、FPC和底部保護膜，主電路由電阻網(wǎng)絡、微處理器和濾波電路依次串聯(lián)組成；所述壓電模塊的正極接頂部保護膜的下表面，壓電模塊的負極接FPC的上表面，F(xiàn)PC的下表面接底部保護膜的上表面，F(xiàn)PC的輸出端接電阻網(wǎng)絡的輸入端。
專利摘要本實用新型公布了一種整體式壓電觸摸按鍵，其特征在于包括壓電按鍵組和主電路，其中壓電按鍵組由上至下依次為頂部保護膜、壓電模塊、FPC和底部保護膜，主電路由電阻網(wǎng)絡、微處理器和濾波電路依次串聯(lián)組成；所述壓電模塊的正極接頂部保護膜的下表面，壓電模塊的負極接FPC的上表面，F(xiàn)PC的下表面接底部保護膜的上表面，F(xiàn)PC的輸出端接電阻網(wǎng)絡的輸入端。本實用新型防水，防濕氣，防腐，具有很強的抗干擾性。
文檔編號H03K17/96GK201352784SQ20092003872
公開日2009年11月25日 申請日期2009年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月7日
發(fā)明者松 嚴, 劉正東, 明 唐, 程明慧, 江 龍, 濤 龍 申請人:江蘇惠通集團有限責任公司