專利名稱：電容式觸摸按鍵及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種觸摸按鍵，尤其是涉及一種蜂窩形電容式觸摸按鍵及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
近幾年來(lái)，電容式觸摸按鍵和電容式觸摸屏，由于其可靠性高，故障率低而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是相關(guān)元器件成本的不斷下降，電容式觸摸按鍵將逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵和電阻式按鍵。
電容式觸摸按鍵的基本原理是通過(guò)人體(手指)的觸摸，使得相應(yīng)被觸摸到的位置的對(duì)地電容值發(fā)生改變，芯片將檢測(cè)到這一電容變化量，并經(jīng)過(guò)相應(yīng)的模擬和數(shù)字信號(hào)處理，判斷按鍵是否被觸摸(按下)。除了觸摸可造成觸摸鍵盤上的電容變化之外，還有其他的環(huán)境因素會(huì)引起電容的變化，如靜電、水滴、水霧及各種有線或無(wú)線的電干擾，都會(huì)通過(guò)觸摸板、電源、芯片等途徑造成電容量的變化，芯片內(nèi)的模擬和數(shù)字信號(hào)處理也會(huì)引入相應(yīng)的噪聲，這些統(tǒng)稱為噪聲和干擾。為準(zhǔn)確有效地做出觸摸按鍵是否被有效觸摸這一判斷，由觸摸而造成的電容量變化(信號(hào))應(yīng)盡可能的大。提高信號(hào)相對(duì)噪聲和干擾的比例(信噪比)，是電容式觸摸按鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)需要遵循和優(yōu)化的最重要原則。在實(shí)際應(yīng)用中，由于使用場(chǎng)所和制造成本等多方面因素的影響，因此要想以最低的成本實(shí)現(xiàn)最大可能的信噪比，必須合理的優(yōu)化觸摸按鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)以上所提到的最大可能的信噪比，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的電容式觸摸按鍵通常為一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)芯片內(nèi)的一個(gè)輸入通道，這樣手指觸摸所引起的電容變化量可全部被芯片檢測(cè)到。對(duì)于這種一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)芯片輸入通道的按鍵設(shè)計(jì)，最好的優(yōu)化，也是最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，即將整個(gè)按鍵全部鋪滿電屬層，作為觸摸電容的另外一個(gè)電極。但是，隨著按鍵數(shù)量的增加，所需要的通道數(shù)量也隨之增加，芯片和系統(tǒng)的成本也隨著通道數(shù)量的增加而增加。當(dāng)按鍵數(shù)量增加到一定程度后(超過(guò)4個(gè))，采用二維(陣列)，甚至多維的編碼方法，可以有效地減少所需要的通道數(shù)量。比如，要設(shè)計(jì)一個(gè)有10個(gè)觸摸按鍵的系統(tǒng)，采用陣列的設(shè)計(jì)加上芯片后端的信號(hào)處理和編碼，只需要5個(gè)控制通道，而不是10個(gè)控制通道，這是一個(gè)簡(jiǎn)單有效的降低系統(tǒng)成本的方法。但是這一個(gè)方法也對(duì)電容式觸摸按鍵系統(tǒng)提出更高的優(yōu)化要求。首先，假設(shè)采用二維(陣列)的編碼方式，手指觸摸按鍵時(shí)，將有二個(gè)對(duì)應(yīng)的控制通道電容量發(fā)生變化，對(duì)于相同的手指觸摸面積，此時(shí)電容的變化量最多也只有原來(lái)單一通道對(duì)應(yīng)單一按鍵的一半，而且二通道之間所需要的電隔離進(jìn)一步減少了電容變化量。此外，二通道之間不可能完全平均分配手指觸摸造成的電容變化量，因而也進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的信噪比。因此，對(duì)于二維(陣列)及二維以上的電容式觸摸按鍵系統(tǒng)，按鍵的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)按鍵系統(tǒng)的可靠性起到極其重要的作用。雖然電容式觸摸按鍵系統(tǒng)在市場(chǎng)上已有很多年的應(yīng)用([I]Capacitive Keyswitch Sensor and Method”，US Patent#:3931610, RobertMarin and Roger Simonson, 1976)，也有一些相應(yīng)的研究成果([2]通過(guò)MSP430進(jìn)行PCB電容觸摸感應(yīng)”，美國(guó)德州儀器公司，Zack Albus, 2007 ； [3] 一種低功耗觸摸按鍵應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法，美國(guó)Cypress公司，陳曉霖等，2008 ； [4]觸摸感應(yīng)式應(yīng)用設(shè)計(jì)指南，法國(guó)意法半導(dǎo)體公司(ST Micro)，2009)。但是，對(duì)于二維及二維以上的電容式觸摸按鍵，均未見(jiàn)有相應(yīng)的系統(tǒng)的按鍵設(shè)計(jì)和布局優(yōu)化方法的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電容式觸摸按鍵及其設(shè)計(jì)方法。所述電容式觸摸按鍵設(shè)有觸摸按鍵板，所述觸摸按鍵板上設(shè)有m行Xn列觸摸按鍵，每一個(gè)觸摸按鍵設(shè)有a行Xb列觸摸單元，所述a行Xb列觸摸單元分別連接到2個(gè)控制通道，觸摸單元之間由相對(duì)應(yīng)的控制通道的單元連線連接，所述a > 2，b > 2。所述觸摸按鍵板可使用單層或多層PCB板，所述觸摸按鍵板采用單層PCB板以降低成本。
所述觸摸按鍵可呈多邊形，所述多邊形可采用八邊形，所述多邊形的邊長(zhǎng)可為I I. 5cm0所述觸摸單元可呈多邊形，所述多邊形最好采用正方形，所述正方形的邊長(zhǎng)可為I 2mm。所述觸摸按鍵內(nèi)的觸摸單元由單元連線連接，二通道所控制的單元應(yīng)按照交叉對(duì)稱分配的原則連接后，再連接到相應(yīng)的控制通道。所述電容式觸摸按鍵的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟I)根據(jù)應(yīng)用要求確定觸摸按鍵的大小和形狀；2)根據(jù)應(yīng)用要求確定最小有效觸摸面積，將該最小有效觸摸面積四等分，根據(jù)觸摸按鍵的靈敏度要求，確定等分面內(nèi)金屬面積的大小，每一等分即為一個(gè)觸摸單元；3)將觸摸單元鋪滿整個(gè)觸摸按鍵，并將屬于二個(gè)不同通道的觸摸單元交錯(cuò)平均分布在觸摸按鍵區(qū)域內(nèi)；4)將觸摸按鍵根據(jù)應(yīng)用要求分布在觸摸按鍵板上，每一個(gè)觸摸按鍵連接到二個(gè)控制通道，可以使用單層PCB板實(shí)現(xiàn)。與現(xiàn)有的觸摸按鍵相比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明給出了采用陣列控制電容式觸摸按鍵設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法，使用該方法設(shè)計(jì)的電容式觸摸按鍵具有一致性和可靠性高的特點(diǎn)。當(dāng)手指觸摸按鍵區(qū)內(nèi)的任何一個(gè)部分時(shí)，芯片內(nèi)檢測(cè)到的電容變化量是一樣的。此外交叉分布的雙通道控制同一個(gè)按鍵，芯片在檢測(cè)一個(gè)通道的電容變化量時(shí)，可以將另一個(gè)通道連接到地電平或任一個(gè)固定電平，為正在被檢測(cè)的通道提供屏蔽和保護(hù)，可有效的提高電容式觸摸板的抗干擾能力。擺脫了現(xiàn)有的電容式觸摸板需要采用二層以上的PCB板來(lái)提供屏蔽和抗干擾保護(hù)。完全可以采用單層PCB板來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而使電容式觸摸按鍵板的成本大幅度下降。


圖I為本發(fā)明采用單層PCB板的觸摸按鍵板實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的按鍵結(jié)構(gòu)組成示意圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖I和2，所述電容式觸摸按鍵實(shí)施例設(shè)有觸摸按鍵板(在圖中未畫出)，所述觸摸按鍵板上設(shè)有3行X 3列觸摸按鍵2，每一個(gè)觸摸按鍵2設(shè)有8行X 8列觸摸單元3分別連接到2個(gè)控制通道I和2，觸摸單元2之間由相對(duì)應(yīng)的控制通道的單元連線4連接。所述觸摸單元3可呈正方形，所述正方形的邊長(zhǎng)可為I 2mm。所述觸摸按鍵2呈八邊形，所述觸摸按鍵2的邊長(zhǎng)可為I I. 5cm。所述電容式觸摸按鍵的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟I)根據(jù)應(yīng)用要求確定觸摸按鍵的大小和形狀；2)根據(jù)應(yīng)用要求確定最小有效觸摸面積，將該最小有效觸摸面積4等分，根據(jù)觸摸按鍵的靈敏度要求，確定等分面內(nèi)金屬面積的大小，每一等分即為一個(gè)觸摸單元；3)將觸摸單元鋪滿整個(gè)觸摸按鍵，并將屬于不同通道的觸摸單元交錯(cuò)分布在觸摸 按鍵區(qū)域內(nèi)；如果觸摸按鍵之間的距離較小，可將相鄰觸摸按鍵的最外面一層的觸摸單元，在相互靠近的那一面分配于同一行或同一列。圖I所示為用上述方法設(shè)計(jì)的一個(gè)9個(gè)觸摸按鍵的電容式觸摸按鍵板。觸摸按鍵板上的每一個(gè)觸摸按鍵大小為1. 2cmX I. 2cm的八邊形,最小有效觸摸面積為3mmX3mm,因此最小等分面為I. 4mmX I. 4mm的正方形。觸摸按鍵的大小和形狀根據(jù)應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)。當(dāng)手指觸摸到觸摸按鍵區(qū)域內(nèi)的任何一個(gè)位置，且觸摸面積超過(guò)最小有效觸摸面積時(shí)，即會(huì)被系統(tǒng)識(shí)別為該觸摸按鍵被觸摸至IJ。最小有效觸摸面積是指當(dāng)手指與按鍵板的觸摸面超過(guò)這一面積時(shí)，系統(tǒng)定義為該觸摸按鍵被有效觸摸到。觸摸單元用于組成觸摸感應(yīng)電容電極的最小面積的金屬單位，大小和形狀根據(jù)應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)。將觸摸單元通過(guò)單元連線連接后，交錯(cuò)分配給行和列，并布滿整個(gè)觸摸按鍵的區(qū)域即成為一個(gè)二維的蜂窩形觸摸按鍵。此外，觸摸按鍵的靈敏度，可以部分通過(guò)改變觸摸單元金屬面積與觸摸單元的間距來(lái)調(diào)整。單元連線用于連接各觸摸單元。觸摸單元之間如何連接不受限制。但每一個(gè)觸摸單元只能連接多維解碼觸摸按鍵中的一維。如在二維解碼觸摸按鍵中，每一觸摸單元只能連接到二個(gè)控制通道中的一個(gè)。根據(jù)應(yīng)用要求確定最小的有效觸摸面積。有效觸摸面積是指當(dāng)手指與觸摸板的觸摸面超過(guò)這一面積時(shí)，即為該按鍵被按下。如果某一應(yīng)用要求較高的靈敏度，則有效觸摸面積就較??；如果應(yīng)用要求可靠的觸摸，即當(dāng)手指指尖的大部分都觸摸到按鍵時(shí)才為有效觸摸，則有效觸摸面積就較大。將該最小有效觸摸面積四等分，二等分屬于一個(gè)控制通道，另外二等分屬于另一控制通道。也可減少或增加等分?jǐn)?shù)量，但對(duì)系統(tǒng)信噪比而言，以四等分為最優(yōu)。四等分面的形狀可為多邊形，圓形等，但以正方形為最優(yōu)。正方形的4個(gè)角可適當(dāng)修剪，以便各等分面之間的連線和滿足PCB生產(chǎn)工藝的要求。等分面之間的間距以生產(chǎn)工藝的最小間距為最優(yōu)，也可略大于生產(chǎn)工藝最小間距，以保證生產(chǎn)良率。但是，增加間距會(huì)降低信噪比。根據(jù)應(yīng)用要求確定觸摸按鍵的大小和形狀，稱為觸摸按鍵區(qū)。把經(jīng)四等分后的最小等分面，將整個(gè)觸摸按鍵區(qū)鋪滿，間距方法同上。值得注意的是觸摸按鍵區(qū)的面積相對(duì)最小有效觸摸面積的比例加大，系統(tǒng)的信噪比下降。在系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，這是一個(gè)應(yīng)該考慮的因素，不應(yīng)隨意增加按鍵區(qū)的面積。將觸摸按鍵區(qū)內(nèi)所有的最小等分面平均分配于行和列，并將行和列等分面交錯(cuò)分布在按鍵區(qū)內(nèi)。
該方法適用于二維(陣列)和二維以上的電容式觸摸按鍵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。每一按鍵內(nèi)的最小等分面的數(shù)量沒(méi)有限制，可根據(jù)具體運(yùn)用來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.電容式觸摸按鍵，其特征在于設(shè)有觸摸按鍵板，所述觸摸按鍵板上設(shè)有m行Xn列觸摸按鍵，每一個(gè)觸摸按鍵設(shè)有a行Xb列觸摸單元，所述a行Xb列觸摸單元分別連接到2個(gè)控制通道，觸摸單元之間由相對(duì)應(yīng)的控制通道的單元連線連接，所述a > 2，b > 2。
2.如權(quán)利要求I所述的電容式觸摸按鍵，其特征在于所述觸摸按鍵板為單層或多層PCB 板。
3.如權(quán)利要求I所述的電容式觸摸按鍵，其特征在于所述觸摸按鍵呈多邊形。
4.如權(quán)利要求3所述的電容式觸摸按鍵，其特征在于所述多邊形為八邊形。
5.如權(quán)利要求I或3所述的電容式觸摸按鍵，其特征在于所述多邊形的邊長(zhǎng)為I I.5cm0
6.如權(quán)利要求I所述的電容式觸摸按鍵，其特征在于所述觸摸單元呈多邊形?！?br> 7.如權(quán)利要求6所述的電容式觸摸按鍵，其特征在于所述多邊形為正方形。
8.如權(quán)利要求7所述的電容式觸摸按鍵，其特征在于所述正方形的邊長(zhǎng)為I 2mm。
9.如權(quán)利要求I所述的電容式觸摸按鍵，其特征在于所述觸摸按鍵內(nèi)的觸摸單元由單元連線連接，2個(gè)控制通道所控制的單元應(yīng)按照交叉對(duì)稱分配的原則連接后，再連接到相應(yīng)的控制通道。
10.如權(quán)利要求I所述的電容式觸摸按鍵的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟 1)根據(jù)應(yīng)用要求確定觸摸按鍵的大小和形狀； 2)根據(jù)應(yīng)用要求確定最小有效觸摸面積，將該最小有效觸摸面積四等分，根據(jù)觸摸按鍵的靈敏度要求，確定等分面內(nèi)金屬面積的大小，每一等分即為一個(gè)觸摸單元； 3)將觸摸單元鋪滿整個(gè)觸摸按鍵，并將屬于二個(gè)不同通道的觸摸單元交錯(cuò)平均分布在觸摸按鍵區(qū)域內(nèi)； 4)將觸摸按鍵根據(jù)應(yīng)用要求分布在觸摸按鍵板上，每一個(gè)觸摸按鍵連接到二個(gè)控制通道，可以使用單層PCB板實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
電容式觸摸按鍵及其設(shè)計(jì)方法，涉及一種觸摸按鍵。電容式觸摸按鍵設(shè)有觸摸按鍵板，觸摸按鍵板上設(shè)有m行×n列觸摸按鍵，每一個(gè)觸摸按鍵設(shè)有a行×b列觸摸單元，a行×b列觸摸單元分別連接到2個(gè)控制通道，觸摸單元之間由相對(duì)應(yīng)的控制通道的單元連線連接，所述a≥2，b≥2。根據(jù)應(yīng)用要求確定觸摸按鍵的大小和形狀；根據(jù)應(yīng)用要求確定最小有效觸摸面積，將該最小有效觸摸面積四等分，根據(jù)觸摸按鍵的靈敏度要求，確定等分面內(nèi)金屬面積大小，每一等分即為一個(gè)觸摸單元；將觸摸單元鋪滿整個(gè)觸摸按鍵，并將屬于二個(gè)不同通道的觸摸單元交錯(cuò)平均分布在觸摸按鍵區(qū)域內(nèi)；將觸摸按鍵根據(jù)應(yīng)用要求分布在觸摸按鍵板上，每一個(gè)觸摸按鍵連接到二個(gè)控制通道。
文檔編號(hào)H03K17/975GK102751971SQ20121025230
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者許肖鋒 申請(qǐng)人:海芯科技(廈門)有限公司