壓電薄膜式壓電觸摸按鍵的製作方法
2024-02-17 16:30:15
專利名稱：壓電薄膜式壓電觸摸按鍵的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種觸摸按鍵，尤其涉及一種壓電薄膜式壓電觸摸按鍵。
背景技術：
壓電陶瓷在外力的作用下可產生電荷這一現象被發現幾十年了。目前己知的壓電材料 有幾十種。早期發現的壓電材料主要是石英和電氣石等一些單晶材料，後來發現了羅息鹽 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於壓電及工藝性能 較差，很難滿足工業應用的要求，限制了壓電技術的發展。在1942-1945年期間，美國、 前蘇聯及日本的科學家發現鐵酸制(BaTi0 3)是鐵電體，極化後具有壓電性能。鐵酸壩陶瓷 的發現促進壓電材料的發展，它不但使壓電材料從一些單晶體材料發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。後來人們發現了鋯鐵酸鉛PbZr03-Pb Ti 03(PZT)圓溶體系統有非常強及穩定的壓電性能。到目前，PZT系陶瓷兒乎己完全取代了 BaTi03系陶瓷。本項目所採用的壓電發電材料即是PZT。
由於以往壓電材料的機電轉換效率較低、電子器件所需功耗較大，壓電發電功率不能 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、集成晶片，也掌握了超低功耗電路系 統的設計方法。兩者的結合讓壓電發電裝置作為低功耗電子產品的能量來源成為可能。
現有的按鍵，不防水，按鍵表面弧度不能任意變化，成本高。
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是針對現有技術存在的缺陷提出一種壓電薄膜式壓電觸 摸按鍵。
本實用新型壓電薄膜式壓電觸摸按鍵，其特徵在於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、壓電薄膜、FPC和底部保護膜，主電路由電阻網絡、 微處理器和濾波電路依次串聯組成；所述壓電薄膜的正極接頂部保護膜的下表面，壓電薄膜的負極接FPC的上表面，FPC的下表面接底部保護膜的上表面，FPC的輸出端接電阻網 絡的輸入端。
本實用新型可以防水，防溼氣，防腐，更有很強的抗幹擾性。這樣對於一些高阻感應材 料如ITO配合使用時，方案的可靠性更高。本項目的發明，可使得按鍵的外觀設計更有創新 空間，能改變傳統設計外觀的木納，繁雜，使得按鍵外觀可以有彎曲，摺疊等等各種形狀供 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。由於壓電陶瓷觸摸按鍵不需要機械結構，相比 傳統的機械按鍵和薄膜按鍵有著不可比擬的優勢。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，無需機械結構，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l:本實用新型壓電薄膜結構圖； 圖2:本實用新型壓電按鍵組結構圖； 圖3:本實用新型軟體流程圖。
具體實施方式
如圖1和圖2所示。本實用新型壓電薄膜式壓電觸摸按鍵，其特徵在於包括壓電按鍵 組和主電路，其中壓電按鍵組由上至下依次為頂部保護膜、壓電薄膜、FPC和底部保護膜， 主電路由電阻網絡、微處理器和濾波電路依次串聯組成；所述壓電薄膜的正極接頂部保護 膜的下表面，壓電薄膜的負極接FPC的上表面，FPC的下表面接底部保護膜的上表面，FPC 的輸出端接電阻網絡的輸入端。
本實用新型的設計方法採用交叉式的方式。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， 採用和拇指大小對應的尺寸。以達到最好的靈敏度，實現良好的傳感。在PCB板布線上， 接地面和按鍵在於印製板的同一側採用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。本項目採 用的走線寬度為0.2mm.在走線的位置上儘可能的減少與其他元器件的互感。沒有接近或並 行於高頻通信線路，以達到減少幹擾的目的。
本實用新型則將壓電發電技術與業界以低功耗著稱的MSP430系列單片機一起，研發出了新一代的壓電陶瓷觸摸按鍵。本實用新型的實現徹底顛覆了傳統按鍵的設計方法。大 大的延長了按鍵的使用壽命，使按鍵無限壽命成為可能。可廣泛應用於消費類電子產品，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
品。MSP430系列單片機實現觸摸方式有兩種方式1: RC (阻容)方式；2: RO (鬆弛振
蕩)方式。本項目採用的是RC (阻容)方式。RC方式實現按鍵的檢測使用P1.XP2.X埠。 在軟體上，重點是基準電容的檢測。實現壓電陶瓷觸摸按鍵時，檢測電容充放電時間的精 度將受到外界環境的影響，如系統供電電源，定時器計時的頻率高低及外部50/60HZ主 頻幹擾，以上諸多因素都可能在一定程度上影響測量結果。對於此種影響，我們可以採用 軟體濾波算法，或者採用對多個測量取平均，來處理測量結果。
如圖3所示。軟體的設計包含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，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，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體算法中非常重要的一個關鍵步驟， 因為我們需要根據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 壓的穩定性、PCB材質、周圍環境如溫度、溼度等因素都會影響基準電壓的檢測，所以在 實現電壓式觸摸感應按鍵時需"動態"檢測該基準電壓值，否則當外界環境改變而影響基準 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。
本項目採用的是一種"動態"檢測基準電壓值和根據基準電壓值變化調整按鍵閾值的方 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"基準值並不是 反應實際"焊盤"按鍵的感應電壓值的增加或減小，而是軟體算法中的調整變量。
完成一次檢測後，首先確定是否檢測到有效按鍵按下，本項目採用設定一個"最小檢測 閾值"，只有當檢測結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。
當檢測到沒有按鍵按下時，調整"BASE"值，由檢測到基準電壓值大小的改變情況決定如何調整"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，那麼實際 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，那麼可以在程序中進行簡單的調整，即將"BASE"值進行加1操 作。
2:單個按鍵功能的實現
單個按鍵的檢測即為開關按鍵的檢測，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果只是一個基準 數值，即基準電壓的充放電數值，第二個按鍵由於手指觸摸後感應電壓壓量的增加，所以 增加一個最大計數值，每一個按鍵的靈敏度要根據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值之間調整，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、穩定性。
3:多路按鍵復用實現
實現多路觸摸按鍵時，經常需要多個觸摸按鍵點，當利用MSP430系列微控制器的I/O 口實現觸摸按鍵時，可能I/0口數量不夠，此時可以採用多個按鍵共用一個1/0 口來實現。 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，那麼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，此時可以通過軟體判斷是中間按鍵被按下。
4:按鍵碼輸出方式
採用MSP430系列單片機有多個型號的晶片供選擇，可根據具體應用分別採用並口， 串口， SPI總線，12C總線，RS485總線，CAN總線等數字輸出方式，也可以採用DA輸出 模擬信號，直接取代原來採用模擬方式按鍵輸入的場合。其中串口， SPI總線，12C總線適合在體積小的嵌入式場合，例如手持設備，行動電話 中，具有佔用I/O 口線少的特點。採用DA輸出方式時，可以應用MSP430單片機的PWM 模塊產生模擬電壓，或者電阻網絡生成模擬電壓，而不必採用帶DA模塊的晶片，從而減 低成本，適用於對成本極端敏感的消費類電子產品中，而電阻網絡生成模擬電壓具有電磁 輻射小的特點，能提高產品的EMC性能。
5:低功耗控制
傳統的按鍵檢測晶片功耗較大，本方案中採用微功耗的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，因此特別適合於手持設備，行動電話， 綠色家電中。模塊在待機時靜態電流小於1毫安。
權利要求1.一種壓電薄膜式壓電觸摸按鍵，其特徵在於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、壓電薄膜、FPC和底部保護膜，主電路由電阻網絡、微處理器和濾波電路依次串聯組成；所述壓電薄膜的正極接頂部保護膜的下表面，壓電薄膜的負極接FPC的上表面，FPC的下表面接底部保護膜的上表面，FPC的輸出端接電阻網絡的輸入端。
專利摘要本實用新型公布了一種壓電薄膜式壓電觸摸按鍵，其特徵在於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、壓電薄膜、FPC和底部保護膜，主電路由電阻網絡、微處理器和濾波電路依次串聯組成；所述壓電薄膜的正極接頂部保護膜的下表面，壓電薄膜的負極接FPC的上表面，FPC的下表面接底部保護膜的上表面，FPC的輸出端接電阻網絡的輸入端。本實用新型防水，防溼氣，防腐，具有很強的抗幹擾性。
文檔編號H03K17/94GK201352785SQ200920038728
公開日2009年11月25日 申請日期2009年1月7日 優先權日2009年1月7日
發明者松 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