CN102751971A - 电容式触摸按键及其设计方法 - Google Patents

Abstract

电容式触摸按键及其设计方法，涉及一种触摸按键。电容式触摸按键设有触摸按键板，触摸按键板上设有m行×n列触摸按键，每一个触摸按键设有a行×b列触摸单元，a行×b列触摸单元分别连接到2个控制通道，触摸单元之间由相对应的控制通道的单元连线连接，所述a≥2，b≥2。根据应用要求确定触摸按键的大小和形状；根据应用要求确定最小有效触摸面积，将该最小有效触摸面积四等分，根据触摸按键的灵敏度要求，确定等分面内金属面积大小，每一等分即为一个触摸单元；将触摸单元铺满整个触摸按键，并将属于二个不同通道的触摸单元交错平均分布在触摸按键区域内；将触摸按键根据应用要求分布在触摸按键板上，每一个触摸按键连接到二个控制通道。

Description

电容式触摸按键及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种触摸按键，尤其是涉及一种蜂窝形电容式触摸按键及其设计方法。

背景技术

近几年来，电容式触摸按键和电容式触摸屏，由于其可靠性高，故障率低而得到越来越广泛的应用。随着这一技术的不断发展，特别是相关元器件成本的不断下降，电容式触摸按键将逐渐取代传统的机械按键和电阻式按键。

电容式触摸按键的基本原理是通过人体（手指）的触摸，使得相应被触摸到的位置的对地电容值发生改变，芯片将检测到这一电容变化量，并经过相应的模拟和数字信号处理，判断按键是否被触摸（按下）。除了触摸可造成触摸键盘上的电容变化之外，还有其他的环境因素会引起电容的变化，如静电、水滴、水雾及各种有线或无线的电干扰，都会通过触摸板、电源、芯片等途径造成电容量的变化，芯片内的模拟和数字信号处理也会引入相应的噪声，这些统称为噪声和干扰。为准确有效地做出触摸按键是否被有效触摸这一判断，由触摸而造成的电容量变化（信号）应尽可能的大。提高信号相对噪声和干扰的比例（信噪比），是电容式触摸按键***设计中的一个需要遵循和优化的最重要原则。在实际应用中，由于使用场所和制造成本等多方面因素的影响，因此要想以最低的成本实现最大可能的信噪比，必须合理的优化触摸按键***的设计。

为了实现以上所提到的最大可能的信噪比，目前市场上常见的电容式触摸按键通常为一个按键对应芯片内的一个输入通道，这样手指触摸所引起的电容变化量可全部被芯片检测到。对于这种一个按键对应一个芯片输入通道的按键设计，最好的优化，也是最简单设计，即将整个按键全部铺满电属层，作为触摸电容的另外一个电极。但是，随着按键数量的增加，所需要的通道数量也随之增加，芯片和***的成本也随着通道数量的增加而增加。当按键数量增加到一定程度后（超过4个），采用二维（阵列），甚至多维的编码方法，可以有效地减少所需要的通道数量。比如，要设计一个有10个触摸按键的***，采用阵列的设计加上芯片后端的信号处理和编码，只需要5个控制通道，而不是10个控制通道，这是一个简单有效的降低***成本的方法。但是这一个方法也对电容式触摸按键***提出更高的优化要求。首先，假设采用二维（阵列）的编码方式，手指触摸按键时，将有二个对应的控制通道电容量发生变化，对于相同的手指触摸面积，此时电容的变化量最多也只有原来单一通道对应单一按键的一半，而且二通道之间所需要的电隔离进一步减少了电容变化量。此外，二通道之间不可能完全平均分配手指触摸造成的电容变化量，因而也进一步降低了***的信噪比。因此，对于二维（阵列）及二维以上的电容式触摸按键***，按键的优化设计对于整个按键***的可靠性起到极其重要的作用。虽然电容式触摸按键***在市场上已有很多年的应用（[1]Capacitive Keyswitch Sensor and Method”,US Patent#:3931610,Robert Marin and RogerSimonson,1976），也有一些相应的研究成果（[2]通过MSP430进行PCB电容触摸感应”,美国德州仪器公司，Zack Albus，2007；[3]一种低功耗触摸按键应用的设计方法,美国Cypress公司，陈晓霖等,2008；[4]触摸感应式应用设计指南,法国意法半导体公司（ST Micro），2009）。但是，对于二维及二维以上的电容式触摸按键，均未见有相应的***的按键设计和布局优化方法的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式触摸按键及其设计方法。

所述电容式触摸按键设有触摸按键板，所述触摸按键板上设有m行×n列触摸按键，每一个触摸按键设有a行×b列触摸单元，所述a行×b列触摸单元分别连接到2个控制通道，触摸单元之间由相对应的控制通道的单元连线连接，所述a≥2，b≥2。

所述触摸按键板可使用单层或多层PCB板，所述触摸按键板采用单层PCB板以降低成本。

所述触摸按键可呈多边形，所述多边形可采用八边形，所述多边形的边长可为1～1.5cm。

所述触摸单元可呈多边形，所述多边形最好采用正方形，所述正方形的边长可为1～2mm。

所述触摸按键内的触摸单元由单元连线连接，二通道所控制的单元应按照交叉对称分配的原则连接后，再连接到相应的控制通道。

所述电容式触摸按键的设计方法包括以下步骤：

1）根据应用要求确定触摸按键的大小和形状；

2）根据应用要求确定最小有效触摸面积，将该最小有效触摸面积四等分，根据触摸按键的灵敏度要求，确定等分面内金属面积的大小，每一等分即为一个触摸单元；

3）将触摸单元铺满整个触摸按键，并将属于二个不同通道的触摸单元交错平均分布在触摸按键区域内；

4）将触摸按键根据应用要求分布在触摸按键板上，每一个触摸按键连接到二个控制通道，可以使用单层PCB板实现。

与现有的触摸按键相比，本发明具有以下突出优点：本发明给出了采用阵列控制电容式触摸按键设计的***方法，使用该方法设计的电容式触摸按键具有一致性和可靠性高的特点。当手指触摸按键区内的任何一个部分时，芯片内检测到的电容变化量是一样的。此外交叉分布的双通道控制同一个按键，芯片在检测一个通道的电容变化量时，可以将另一个通道连接到地电平或任一个固定电平，为正在被检测的通道提供屏蔽和保护，可有效的提高电容式触摸板的抗干扰能力。摆脱了现有的电容式触摸板需要采用二层以上的PCB板来提供屏蔽和抗干扰保护。完全可以采用单层PCB板来实现，从而使电容式触摸按键板的成本大幅度下降。

附图说明

图1为本发明采用单层PCB板的触摸按键板实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例的按键结构组成示意图。

具体实施方式

参见图1和2，所述电容式触摸按键实施例设有触摸按键板（在图中未画出），所述触摸按键板上设有3行×3列触摸按键2，每一个触摸按键2设有8行×8列触摸单元3分别连接到2个控制通道1和2，触摸单元2之间由相对应的控制通道的单元连线4连接。

所述触摸单元3可呈正方形，所述正方形的边长可为1～2mm。所述触摸按键2呈八边形，所述触摸按键2的边长可为1～1.5cm。

所述电容式触摸按键的设计方法包括以下步骤：

1）根据应用要求确定触摸按键的大小和形状；

2）根据应用要求确定最小有效触摸面积，将该最小有效触摸面积4等分，根据触摸按键的灵敏度要求，确定等分面内金属面积的大小，每一等分即为一个触摸单元；

3）将触摸单元铺满整个触摸按键，并将属于不同通道的触摸单元交错分布在触摸按键区域内；如果触摸按键之间的距离较小，可将相邻触摸按键的最外面一层的触摸单元，在相互靠近的那一面分配于同一行或同一列。

图1所示为用上述方法设计的一个9个触摸按键的电容式触摸按键板。触摸按键板上的每一个触摸按键大小为：1.2cm×1.2cm的八边形，最小有效触摸面积为3mm×3mm，因此最小等分面为1.4mm×1.4mm的正方形。

触摸按键的大小和形状根据应用要求而设计。当手指触摸到触摸按键区域内的任何一个位置，且触摸面积超过最小有效触摸面积时，即会被***识别为该触摸按键被触摸到。最小有效触摸面积是指当手指与按键板的触摸面超过这一面积时，***定义为该触摸按键被有效触摸到。

触摸单元用于组成触摸感应电容电极的最小面积的金属单位，大小和形状根据应用要求而设计。将触摸单元通过单元连线连接后，交错分配给行和列，并布满整个触摸按键的区域即成为一个二维的蜂窝形触摸按键。

此外，触摸按键的灵敏度，可以部分通过改变触摸单元金属面积与触摸单元的间距来调整。

单元连线用于连接各触摸单元。触摸单元之间如何连接不受限制。但每一个触摸单元只能连接多维解码触摸按键中的一维。如在二维解码触摸按键中，每一触摸单元只能连接到二个控制通道中的一个。

根据应用要求确定最小的有效触摸面积。有效触摸面积是指当手指与触摸板的触摸面超过这一面积时，即为该按键被按下。如果某一应用要求较高的灵敏度，则有效触摸面积就较小；如果应用要求可靠的触摸，即当手指指尖的大部分都触摸到按键时才为有效触摸，则有效触摸面积就较大。

将该最小有效触摸面积四等分，二等分属于一个控制通道，另外二等分属于另一控制通道。也可减少或增加等分数量，但对***信噪比而言，以四等分为最优。四等分面的形状可为多边形，圆形等，但以正方形为最优。正方形的4个角可适当修剪，以便各等分面之间的连线和满足PCB生产工艺的要求。等分面之间的间距以生产工艺的最小间距为最优，也可略大于生产工艺最小间距，以保证生产良率。但是，增加间距会降低信噪比。

根据应用要求确定触摸按键的大小和形状，称为触摸按键区。把经四等分后的最小等分面，将整个触摸按键区铺满，间距方法同上。值得注意的是：触摸按键区的面积相对最小有效触摸面积的比例加大，***的信噪比下降。在***的优化设计中，这是一个应该考虑的因素，不应随意增加按键区的面积。

将触摸按键区内所有的最小等分面平均分配于行和列，并将行和列等分面交错分布在按键区内。

该方法适用于二维（阵列）和二维以上的电容式触摸按键的优化设计。每一按键内的最小等分面的数量没有限制，可根据具体运用来确定。

Claims (10)

1.电容式触摸按键，其特征在于设有触摸按键板，所述触摸按键板上设有m行×n列触摸按键，每一个触摸按键设有a行×b列触摸单元，所述a行×b列触摸单元分别连接到2个控制通道，触摸单元之间由相对应的控制通道的单元连线连接，所述a≥2，b≥2。

2.如权利要求1所述的电容式触摸按键，其特征在于所述触摸按键板为单层或多层PCB板。

3.如权利要求1所述的电容式触摸按键，其特征在于所述触摸按键呈多边形。

4.如权利要求3所述的电容式触摸按键，其特征在于所述多边形为八边形。

5.如权利要求1或3所述的电容式触摸按键，其特征在于所述多边形的边长为1～1.5cm。

6.如权利要求1所述的电容式触摸按键，其特征在于所述触摸单元呈多边形。

7.如权利要求6所述的电容式触摸按键，其特征在于所述多边形为正方形。

8.如权利要求7所述的电容式触摸按键，其特征在于所述正方形的边长为1～2mm。

9.如权利要求1所述的电容式触摸按键，其特征在于所述触摸按键内的触摸单元由单元连线连接，2个控制通道所控制的单元应按照交叉对称分配的原则连接后，再连接到相应的控制通道。

10.如权利要求1所述的电容式触摸按键的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据应用要求确定触摸按键的大小和形状；

2）根据应用要求确定最小有效触摸面积，将该最小有效触摸面积四等分，根据触摸按键的灵敏度要求，确定等分面内金属面积的大小，每一等分即为一个触摸单元；

3）将触摸单元铺满整个触摸按键，并将属于二个不同通道的触摸单元交错平均分布在触摸按键区域内；

4）将触摸按键根据应用要求分布在触摸按键板上，每一个触摸按键连接到二个控制通道，可以使用单层PCB板实现。

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