压电薄膜(触摸、力度)按键.doc

内部交流资料
压电薄膜（触摸、力度）按键
刘 玲
（贝辛电子科技（上海）有限公司, 上海 200092）

摘 要：提出一种新的压电薄膜按键，超薄（厚度仅有0.2mm，体积小、重量轻），柔性（可以自由弯曲，在曲面仪表仪器，衣服等纺织物上使用），能识别力度大小（增加按键在三维力度上的控制，用多力度按键代替多个按键，从而减少按键数量），能实现触摸控制（不需要制作单独的电容滑条，在现有按键基础上直接实现，更加节省空间，比电容按键更加节省功耗），其扩大的应用领域的同时，带来了全新的体验。
关键词： 压电薄膜按键，触摸按键，力度按键，压电按键

按键一般用于控制一个电路是否有电信号产生或者电信号流向，最常见的表现形态就是开关。传统按键主要分硅胶按键、薄膜按键和电容按键，这些按键在生活中有着广泛的应用。
1.硅胶按键
所谓的硅胶按键，顾名思义就是以硅胶为原材料制作的按键。硅胶按键属于硅胶制品的一个产品种类，具有优良的耐热性、耐寒性、电气绝缘性等特点，常被运用在电子计算器、遥控系统、电话机、无线电话机、电脑键盘、学习机按键、密码器按键、数码产品按键当中。

图1 硅胶按键的外观图

硅胶本身是是绝缘的，但是在按键方面的应用需要却需要硅胶按键具备导电性能，如何解决这一问题呢？其实很简单，只需要在硅胶按键的底部添加一个导电基面就可以实现。未按下按键的时候，按键底部的导电基与电路板上的铜箔未接触，此时电路处于开路状态。当在硅胶按键顶面施加一定的力，使其按键的导电基向电路板上的铜箔移动，直至导电基与铜箔紧密接触，此时，电流通过导电基流向另一片铜箔，电路导通。下面通过图例，更形象的描述硅胶案件的工作原理：

图2 硅胶按键的结构图

图3 硅胶按键的工作原理
硅胶按键因其成熟工艺，良好的手感舒适度，低廉的价格广泛的运用在众多的产品中。但只有30万次的寿命是其致命的弱点，除此之外，其结构复杂，笨重等缺点，很难满足现代家用电器和数码电子产品对美观的要求。

2.薄膜按键（开关）
由于薄膜按键具有体积小、重量轻、功能全面、外观新颖等一系列特点，且顺应了机电产品向多功能、小型化、密集化、智能化方向发展的要求，受到了电子工业、机械工业、航空航天工业等诸多领域的青睐。并且，在智能仪器、电子衡器、办公自动化、医疗设备、家用电器等众多民用电子产品中得到了广泛应用。作为电子按键产品中必备的构成结构，薄膜按键是在金属弹簧片按键产品和导电胶按键产品内置的导电膜，它的作用是起到按键产品中的开关导电作用，常用在PCB以及FPC线路板上的导电薄片。薄膜按键的结构非常简单，直接将接触的按键盖、键帽取下以后，可以看到按键下方的薄膜电路和电路板。

图4 一种薄膜开关键盘
不同于硅胶按键，薄膜按键比较具有特点，它是集开关功能、面版装饰、开关连线、引出线及常规面板的文字、图形符号为一体，实际上参与了整机产品的功能性操作，是电子产品操纵系统的总成。薄膜按键的工作原理是由导电薄膜上面布满了金属点进行连接，当按键向下运动的时候，按键下面的导电胶材料或者是金属弹片就正好落到了金属点上面，达到接通的效果，从而使得薄膜按键发送各种命令符。
薄膜按键在寿命上相较于硅胶按键有了较大幅度的提升，可以达到100万次，这主要是因为薄膜按键主要的由电路触点来工作的，所以薄膜按键的寿命主要也是和电路触点相互联系的，一般电路触点只要在上面印上一层保护的材质如碳元素的产品，可以提高耐磨型同时也不影响导电的性能，也延长了开关的寿命。但薄膜按键的工作稳定性应受到接触电阻的影响。接触电阻是指薄膜按键开关回路给后置电路的电阻值，技术上要求接触电阻的电阻值不超过100Ω。

图5 薄膜开关的结构图
3.电容按键
在便携式媒体播放器和移动手持终端等大容量、高可视性产品的应用中，触摸式电容按键作为一种接口技术已被广泛采用。由于具有方便易用，时尚和低成本的优势，越来越多的电子产品开始从传统的机械按键转向触摸式电容按键。

图6 电容触摸按键及其应用
电容开关是一对相邻电极在电极之间有很小的电容当一个导体接近两个电极时在电极与导体之间会产生一个耦合电容在这里手指就是这个导体通常电容开关的形式是一边接地的电容导体的存在增加了开关到地之间的电容检测是否有手指靠近也就是检测是否有按键按下可依据电容的变化来判断。如图7所示：

图7 电容按键工作原理

电容触摸感应式按键具有不怕磨损、不受温湿度影响、防水保护和成本低廉等优点。因此已经被广泛的应用于手机、VCD、DVD、电磁炉、油烟机、热水器、洗衣机、微波炉、咖啡机、电冰箱、MP3、MP4、DPF数码相框和CAR DVD等。但电容开关对制作工艺和环境的高要求，以及易受干扰的特点成为电容案件的硬伤。
4.压电薄膜（力度、触摸）按键

图8 压电薄膜（触摸、力度）按键

图9 压电薄膜按键的工作原理
压电薄膜按键是近年来发展起来的技术。其原理是利用有机材料孔洞型结构特点，形成空间电荷以呈现出压电效应，其原理是依靠内部微小电荷运动以产生宏观电压。作用在压电薄膜按键上的力，使压电薄膜发生微小形变，产生于力度大小相对应的电荷量。这些电荷在薄膜的上下层积聚，通过引脚引出，电荷放大器放大后测得信号，再通过后续电路进一步分析控制就能实现不同力度的力控制不同功能。
压电薄膜按键目前正非常快的速度应用在家用遥控器、智能手机、除油烟机、墙壁开关、游戏手柄等家用和个人消费电子领域。
4.1 压电薄膜按键主要功能
1）力度控制

图10 压电薄膜按键力度控制功能
力度按键，就是实现通过力度大小来猜测用户的操作意图，在不同的应用场合下可以有不同的功能。
2）滑动控制
目前的滑动控制主要是通过电容条来实现的，且方向单一。eTouch压电薄膜按键可以实现多方向的滑动、旋转控制，且不需要在PCB板上配备多余的电容滑条。

图11 压电薄膜按键滑动控制功能
3）多击控制

图12 压电薄膜按键多击功能
该功能是通过分析同一按键敲击次数的不同对应不用按键功能。
4.2 压电薄膜按键应用电路
压电薄膜按键应用电路包括：前置放大器电路和单片机A／D采集电路。

图13 压电薄膜按键应用电路
4.3 压电薄膜按键应用案例
压电薄膜按键除能用在传统使用的场合外，其实现力度控制的新功还能带来全新体验。特别结合游戏，力度大小可以用来控制跳跃高度、奔跑速度、出拳速度和力度等等，这对于游戏玩家来说，完全是一种全新的操作方式，带来的体验和感受也是跟之前完全不同的，从一定程度上说力度按键很可能颠覆之前的操作方式、引领新的时尚。

图 14 智能手机／Pad／游戏外设应用——压电薄膜按键
压电薄膜力度按键在电子琴上也有出色的表现，不同力度可以设计对应同一音色的不同音调，这样你的电子琴就可以有更少的琴键，却不减少音色。无限想象，无限可能。

图 15 电子乐器应用——压电薄膜按键

图 16 智能遥控器应用——压电薄膜按键
压电薄膜力度按键使用在遥控器上，同一按键可以对应不同的按键功能，这是因为eTouch压电薄膜力度按键可以分辨出按键力度的大小，这样你再也不用为智能遥控器纷繁密集的按键头疼了。
在家电上的应用更加提现了eTouch压电薄膜力度按键的优势。

图 16 家用电器应用——压电薄膜按键
由于压电薄膜力度按键结构简单，只需要简单粘合即可使用。因此不需要为按键预留按键槽，可以实现整体一体化生产，简单了生产的同时，对于家用电器的清洗也更加方便。压电薄膜力度按键优势：
1）实现力度控制，可识别用户不同力度的大小。
2）轻松实现滑动触控，无需PCB板多余的触摸滑条。
3）结构简单，只需轻松贴合eTouch压电膜即可实现。
4）提供软件配套，以与多家游戏、应用程序开发商合作。

贝辛电子科技（上海）有限公司
2012年9月17日

按键研发部｜贝辛电子科技（上海）有限公司