CN102427357B - 电容触摸按键系统 - Google Patents

Abstract

一种电容触摸按键系统，包括：按键面板，其包括触摸按键，所述触摸按键的材质为金属；所述垂直电极与所述触摸按键之间存在间隙，且互成夹角；用于检测所述触摸按键与所述垂直电极之间电容变化的感应元件。由金属的触摸按键和金属片的垂直电极构成边缘电场效应的电容器极板间距离改变引起的电容的改变比一般的平行板电容器要敏感得多，更容易被感应元件感应到作为按键动作信号输入，实现比一般的平行板电容触摸按键更敏锐的感应。基于所述边缘电场效应电容器构成的按键系统实现了零压力的触摸按键结构，提升了用户的使用感受。

Description

电容触摸按键系统

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种触摸按键系统。

背景技术

现在普遍使用的电容按键面板一般是塑料的，不含金属成分，否则容易引起错位的触发，在塑料面板的覆盖之下，触摸在侦测板感应盘的正上方就可以被检测到，但如果面板是金属材质或含金属成分则触摸在面板的任何位置都能够触发按键，这就无法区分各个按键位置且也无法确定某一次的触发是属于哪一个按键。

现在有些场合或产品都需要使用金属材质作为产品的外观面板，如果想要让产品的品质更高，外观的设计和操控的体验很重要，而操控体验最直接相关的就是按键系统的设计。传统机械按键的突兀外观显然不美观和不容易清洁，同时机械按键使用寿命有限和使用感受差；现在比较普遍使用的电容触摸按键系统都是使用塑料来做面板材料，而且需要严格控制面板里边的金属成分，否则对电容触摸的性能影响很大。所以在金属材质的面板条件下来实现美观，容易清洁和使用寿命长并且具有舒服使用手感的触摸或轻压力的按键控制有市场需求。但使用金属材料的面板，如何来实现外观平整，使用体验好的触摸和轻压力按键系统就成为了技术上亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用金属材料或含金属成分的面板的触摸按键结构及触摸装置，以提高触摸识别的准确度。

为实现上述目的，本发明提供一种电容触摸按键系统，包括：

按键面板，其包括触摸按键，所述触摸按键的材质为金属；

垂直电极，所述垂直电极与所述触摸按键之间存在间隙，且互成夹角；

用于检测所述触摸按键与所述垂直电极之间电容变化的感应元件。

可选的，所述按键面板包括：

第一面板，材质为金属，其上具有至少一个所述触摸按键；

第二面板，包括至少一个通孔，第二面板和第一面板贴合，所述通孔对应所述触摸按键。

可选的，所述第一面板的材料为柔性金属，所述第二面板的材料为刚性材料。

可选的，所述第一面板的材料为铝或铜，所述第二面板的材料为钢或陶瓷。

可选的，所述第一面板的厚度小于或等于所述第二面板的厚度。

可选的，所述第一面板的厚度为0.2～0.6mm，所述第二面板的厚度为0.6～0.8mm。

可选的，所述第一面板的触摸按键部分镂空。

可选的，还包括设置在第一面板下的背光灯。

可选的，所述触摸按键为实心金属盘，所述触摸按键为圆形或方形。

可选的，所述垂直电极为金属片，并与所述触摸按键垂直。

可选的，所述按键面板的材质为金属，所述触摸按键一体形成在所述按键面板。

可选的，还包括绝缘基座，所述绝缘基座由硬质绝缘材质构成，包括至少一个凹槽；所述垂直电极设置于所述凹槽，与所述触摸按键一一对应构成电容。

可选的，所述绝缘基座的材质为陶瓷。

可选的，所述触摸按键与所述垂直电极之间的间隙大于或等于8μm。

可选的，所述触摸按键与所述垂直电极之间的间隙填充有柔性绝缘材料。

可选的，所述垂直电极与所述触摸按键之间所呈夹角大于0°且小于或等于90°。

可选的，还包括侦测板，所述侦测板设置有多个所述感应元件，所述感应元件一一对应于所述触摸按键和垂直电极构成的电容。

可选的，侦测板为印刷电路板或氧化铟锡薄膜。

可选的，还包括与所述感应元件相连的检测电路。

可选的，所述检测电路包括：微控制器和开关单元，所述开关单元连接在所述感应元件和微控制器之间。

与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：

由金属的触摸按键和金属片的垂直电极构成边缘电场效应的电容器，这样的电容器极板间距离改变引起的电容的改变比一般的平行板电容器要敏感得多，更容易被感应元件感应到作为按键动作信号输入。这样金属触摸按键微小的形变也能被检测，所以能够在按键被触摸或者受到微小压力就能够作为按键动作的判断，实现比一般的平行板电容触摸按键更敏锐的感应。

另外按键面板包括第一面板和第二面板，第一面板的金属按键与第二面板的通孔对应，由于金属触摸按键具有空隙(即通孔)，则面板在按键位置容易发生形变；而第一面板的金属触摸按键以外的其他区域由于被第二面板支撑，则面板在非按键位置不易发生形变。

第一面板采用柔性金属，在触摸或轻压力下也容易产生形变，第二面板采用刚性材料，不容易形变且具有较大的支撑强度，并且，第二面板的厚度大于第一面板的厚度，使得面板在按键位置更易发生形变，在非按键位置则不会发生形变，即仅在按键位置会发生形变，进一步避免了误触发，提高了按键检测的抗干扰能力。

将金属按键区域部分镂空可以提高按键区域的金属柔性，使得金属面板在按键位置更容易发生形变。

并且，上述的触摸识别实质上实现了零压力的触摸按键结构，提升了用户的使用感受。

附图说明

图1为本发明的按键系统的一优选实例的结构示意图。

图2为按键系统的按键面板表面的示意图。

图3为按键系统的按键面板一优选实例的结构示意图。

图4为按键系统的垂直电极和绝缘基座的结构示意图。

图5为按键系统的感应元件与检测电路相连的实施例示意图。

图6为组装完成的按键系统的剖面结构示意图。

图7为图6中按键系统中一个按键被触摸的示意图。

具体实施方式

本发明利用金属作为触摸按键的面板，实现了金属面板的触摸按键。

并且，本发明采用垂直电极间电容的变化作为检测信号，判断出按键的位移。其中，根据电磁学原理，当一个很薄的极板和另一个极板垂直放置且保持一定间隙时，若在两极板间施加电压，则两极板之间将形成一个电场，称为边缘电场。这种现象称为边缘电场效应，这样的垂直电极极板间电容称为边缘电场效应电容。根据镜像原理及复变函数理论，可以建立两极板间电容和极板间隙之间的数学关系：

$C=\frac{4\mathrm{\ϵW}}{\mathrm{\π}}\ln \frac{2H}{h}$

其中h为两极板间距离，H为垂直电极的高度；W为垂直电极的宽度；ε为封装电极的片基的介电常数。

对其电场分布进行分析可以得到此种电容距离引起电容变化的灵敏度。如下可见，

K＝dC/dh|_h＝hε＝-4εW/(πh₀)

其中，K与电极的宽度W成正比，与初始间隙h₀成反比，而与电极的高度H无关。由此可见，随着h₀的减小，灵敏度增加。

平行板式电容为：

C′＝εs/h′

ε为两极板间介质的介电常数，s为侧头作用面积，h′为两极板间距离。

那么灵敏度为：

$K^{\′}=d{C}^{\′}/d{h}^{\′}{|}_{h^{\′}={h_0}^{\′}}=-\mathrm{\ϵs}/{h_0}^{\′}$

下面把边缘电容的灵敏度K与平行板式电容的灵敏度K′比较可看出，K与h₀成反比，而K′和h₀′成反比，并且当初始间隙h₀、h₀′变大时，边缘效应电容的灵敏度比传统的平行板式电容的灵敏度降低得慢，所以在间隙变化范围较大的场合下用边缘电场效应电容更适合。

关于边缘电容传感器的情况和原理，更详细的了解可见《光学精密工程》1994年第1期刊登的，由长沙国防科技大学的李欣欣、李均发表的论文《一种新型的电容传感器——基于边缘效应原理的传感器》。

本发明采用金属按键面板和与之垂直的垂直电极构成上述边缘电场效应电容的结构，来实现全金属面板的触摸按键。当金属按键面板与垂直电极之间的距离发生变化时，检测两者之间的电容变化，可判断两者之间距离变化量，通过MCU(微处理器)判断是否为按键操作。由上述分析可知，这样的结构比通常基于平行电容器结构的电容触摸按键要灵敏很多。

本发明为用全金属面板作为触摸按键表面的按键系统，包括一全金属的按键面板，其上具有若干触摸按键。触摸按键可以是和按键面板表面齐平的金属块，通过表面印刷图案或者字样来表示按键位置，也可以把按键做成金属镂空图案或者字样，金属网状，或者触摸按键的金属比按键面板的金属要薄一些，使得触摸按键的金属在有触摸时容易引起形变。

按键面板下面是垂直电极的基座，垂直电极安置在基座中。基座起着固定且支撑垂直电极使其不被形变的作用，故需要采用具有不容易形变且有较大的支撑强度的特点的材料制造，并且要能绝缘。较优的选择为陶瓷基座，其制作方便。基座中需要设置有适合垂直电极卡入并处于其中的深槽。

垂直电极为多块薄型金属板，与按键一一对应。

按照上述边缘电容效应传感器的理论，垂直电极和触摸按键的金属面板分别为边缘电容的两极板，两者是互相垂直的关系。

进一步的，在发明人独到的思考和实践中发现，由于在两极板互相垂直的结构中，两极板的距离改变引起电容变化的效果非常明显，也就是对于触摸按键的表面形变非常敏感，在实际使用过程中，有时候可能不需要这么敏感，因为这样使得实际中难以实现对其的控制，对于按键表面的误操作，或者干扰的不容易判断。

故实际使用中也可以采用垂直电极与按键有一定角度的结构，角度的范围为0°～90°。两者之间角度为0°时，即为平行电容的方式，两者之间角度为90°时，即为垂直电极电容的方式。两极板间电压、间隙(非垂直电极电容的情况下，所述间隙为两极板间的最小间隙)，板间介质不变，设0°和90°时的电容分别为C₀和C_⊥，两者之间角度为α时的电容为C_α，则满足：

$C_{\mathrm{\α}}=\frac{|C_0-C_{\⊥}|\×\mathrm{\α}}{90}\×100\%$

按键面板和垂直电极的间隙至少为8μm(实验证明这样的距离能较好的保证触摸按键的性能)。按键面板和插入了垂直电极的基座的边缘有支撑结构，使得垂直电极和按键面板之间的存在一定的间隙；或者也可以在基座和按键面板之间加入一层绝缘柔性材料层，绝缘柔性材料层填充在按键和垂直电极之间的间隙中，作为电容器的电介质。

侦测板组装在基座的下面，在对应每一个按键的位置处设置有电容传感器，当有按键动作发生时，按键和垂直电极之间的距离发生变化，电容也发生变化。电容传感器检测到按键动作处的电容变化，把电容变化转变为频率，再经鉴频器、滤波器组成的频率/电压转换电路的转换，以电压幅度变化形式输出，最后经A/D转换后送至主MCU处理；或将频率看做单位时间内的脉冲个数，经过采样电路得到一定的计数值，送至主MCU处理。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本实施例以按键面板为整块金属的全金属面板实施方式为例。

请参考图1所示的本实施例的触摸按键表面为金属材料的按键系统的结构示意图，所述按键系统由上至下依次包括：按键面板100，绝缘柔性材料层200，绝缘基座300和侦测板400。

如图1中所示，按键面板100上设置有五个触摸按键9，绝缘基座300中设置五个与触摸按键9一一对应的细长的凹槽(未标示)，每个凹槽内嵌入一块与触摸按键9垂直的垂直电极8，五个凹槽的排布方向与五个触摸按键9的排布方向一致，图中所示侦测板400上的五个感应元件7分别一一对应五个触摸按键9，感应它们的按键动作。本实施例中的按键系统组装起来使用的时候，触摸按键9、垂直电极8和感应元件7分别一一对应，垂直电极8位于触摸按键9的正下方分别构成独立的边缘电场效应电容，感应元件7分别位于每个垂直电极8的正下方，感应每个边缘电场效应电容的电容变化。

按键面板100可以为全金属面板，其形状可以根据实际需求而设计，通常为方形面板。按键面板1可以为一体成型的金属面板，在一个实施例中，如图2所示，所述按键面板100上具有多个触摸按键9的区域，按键可以通过印刷(也包括刻印、丝印等方式)字符来标识。

优选的，如图3所示，按键面板100包括：第一面板101和第二面板102。

第一面板101上设有多个金属按键区域作为触摸按键9。本实施例中，触摸按键9为圆形，在实际应用中，还可以在金属按键区域内用金属字作为金属按键以提示相应地按键功能。

第二面板102包括多个通孔9a，分别对应第一面板101的金属按键区域9，例如，图示的金属按键区域9有5个，通孔9a也有5个，与金属按键区域9一一对应。通孔9a的形状和大小与金属按键区域9基本相同，本实施例中，通孔9a为圆形，与金属按键区域一一对应。由于通孔加工方便，因此生产效率高，适于批量生产。

第一面板101和第二面板102贴合，使第一面板101和第二面板102结合在一起形成按键面板100，第二面板20上的通孔9a即为按键面板上的凹槽。第一面板101和第二面板102可以通过边缘点焊或黏胶的方式紧密结合成一体，使第二面板102对第一面板101提供较强的支撑力，这样，第一面板101的金属按键区域以外的其他区域(即被第二面板支撑的区域)不易发生形变，而金属按键区域由于具有空隙(即第二面板的通孔)因此容易发生形变，从而降低了按键的误触发率。

第二面板102的硬度大于第一面板101的硬度，以对第一面板10提供较强的支撑力。本实施例中，第一面板101的材料可以为柔性金属，例如为铝或铜，由于柔性金属材料较软且具有较好的延展性，因此在触摸或轻压力下也容易产生形变。第二面板102的材料可以为刚性材料，例如为钢，由于刚性材料较硬，因此不容易形变且具有较大的支撑强度，进一步使得第一面板101的金属按键区域以外的其他区域不会发生形变，从而提高了按键检测的抗干扰能力，避免了误触发。

第一面板101的厚度小于或等于所述第二面板的厚度102，第一面板101薄且软，则在按键位置容易发生形变。本实施例中，第一面板101的厚度可以为0.2～0.6mm，第二面板102的厚度可以为0.6～0.8mm。

进一步地，第一面板101的金属按键区域还可以部分镂空，例如，在第一面板的金属按键区域打孔，形成蜂窝状的金属按键，或者，金属按键区域内还可以采用金属空心字作为金属按键。将金属按键区域部分镂空可以改善按键区域的金属柔性，使得第一面板101在按键位置更容易发生形变。此外，由于金属按键区域部分镂空，在一定程度上提高了金属按键的柔性，因此在这种方式中第一面板101可以不需要做得很薄，并且镂空的金属按键区域还可以透光，在其下方设置LED背光灯，还可以实现具有背光功能的按键系统。

或者可以先形成金属触摸面板，并在所述金属触摸面板上按各按键的大小及键位分布进行打孔，打孔的孔径大小应大于各按键的大小。随后，再形成各金属按键，并将各金属按键与金属触摸面板进行对位后固定并通过导体材料或者通过焊接连为一体，各金属按键可以为实心金属盘，也可以为金属孔状或金属网状。则所述金属按键的形状可以为任意适合所述按键结构的形状，例如圆形或方形或字符或别的标识图形，此处并不以此限定。

绝缘基座300为绝缘硬质的材料制作而成，如图4所示，其间有凹槽8a用于安置垂直电极8。垂直电极8为金属薄片，可用铜，金等金属制成。绝缘基座300起着固定且支撑垂直电极使其不被形变的作用。容易想到的，凹槽的设置必须与垂直电极的排布相匹配。优选的，本实施例中绝缘基座300采用陶瓷做成，满足不容易形变且有较大的支撑强度，且绝缘的要求，而且容易制作。

绝缘柔性材料层200为材质较软的绝缘材料，填充在按键面板100和绝缘基座300之间，主要要填充满触摸按键9和垂直电极8之间的空隙，作为触摸按键9和垂直电极8构成的边缘效应电容器的电介质，改变电容两极板间的介电常数，其厚度必须至少达到8微米。

侦测板400可以为印刷电路板(PCB)或氧化铟锡(ITO)薄膜，其上设置有上设置有电容检测、信号处理等功能模块，图1中所示的五个感应元件7分别一一对应五个触摸按键9，分别感应其对应的触摸按键9的按键动作引起的电容变化，将这电容变化量的情况传送给信号处理模块。

作为一个优选的配合实施方式，本实施例的按键系统还可以包括与所述感应元件7相连的检测电路，感应元件7感应金属的触摸按键9和垂直电极8之间的电容变化，检测电路获取感应元件7输出的电信号，以此确定被触摸的按键。图5是感应元件与检测电路相连的实施例示意图，检测电路5可以包括微控制器(MCU)51和开关单元52。检测电路可以部分或全部集成在侦测板400上。由于采用感应元件的检测方式简单，因此检测电路可以采用低成本的MCU，例如8位MCU即可实现。

如图5所示，感应元件7(包括71～75)与MCU51可以通过接口单元53(例如I2C接口)进行通信，感应元件7将检测产生的电信号传送给MCU51，多个感应元件7(包括71～75)与MCU51之间的通信连接需要通过开关单元52来切换。开关单元52可以包括多个模拟开关，数量与感应元件7的数量相同，每个模拟开关与MCU51和一个感应元件7连接，控制感应元件7与MCU51之间通路的通或断。MCU51输出选择信号SEL1、SEL0，在一个时间段内选择并控制开关单元52中的一个模拟开关导通对应的感应元件7与MCU51之间的通路，使得在一个时间段内仅有一个感应元件7与MCU51的I2C总线连接。

作为一个优选实例，金属触摸按键系统的剖面图如图6所示，其中，检测电路省去没有示意在图中。在本实施例中是多个按键的垂直电极共用一个水平电极(金属按键面板100)，有一个按键发生动作时，其示意图如图7所示，金属触摸按键92被手指按下，此时金属触摸按键92和垂直电极8之间的距离发生改变，引起金属触摸按键92和垂直电极8之间的电容变化，此时其它金属触摸按键对应的电容也会有变化，感应元件71至75分别感应到各自对应位置的电容变化，并分别将电容变化的情况转变为频率，再经过鉴频器、滤波器组成的频率/电压转换电路的转换，以及一定的软件算法计算出两极板间间距的变化Δd(即按键面板100表面发生的形变)，再将两极板间间距的变化Δd的信号传送给通过接口单元53传送给开关单元52，其中，金属触摸按键92对应的电容变化最大，开关单元52中的一个模拟开关被MCU51选择并控制导通对应的感应元件72与MCU51之间的通路，MCU51判断金属触摸按键92和垂直电极8之间间距的变化Δd超过阀值时，则判断金属触摸按键92按下。

本实施例的按键系统，由于在金属按键区域的金属很容易发生形变，因此触摸按键或者说在按键上施加非常轻的压力(一般仅需50g左右的压力)，即可使按键位置的金属发生形变。并且，由于只有按键位置的金属才会发生形变，即使金属按键区域有微小的形变，例如只有0.12μm的形变也可以被检测到，从而在实现触摸或轻压力按键的同时，避免了误触发。

本实施例中所说的“垂直电极”，并非必需与水平电极(按键面板)垂直，其可以与水平电极之间的夹角可以为别的大小(大于0°且小于90°)。其中，金属触摸按键9和垂直电极8之间间距的变化Δd的阀值边界值设定方法为：两极板垂直时，间距的变化Δd的阀值为2微米，其随着两极板间的角度减小而变大，在两极板接近平行时，间距的变化Δd的阀值接近为4微米。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (17)

1.一种电容触摸按键系统，其特征在于，包括：

按键面板，其包括触摸按键，所述触摸按键的材质为金属；

垂直电极，所述垂直电极与所述触摸按键之间存在间隙，且互成夹角，所述夹角大于0°且小于或等于90°；

用于检测所述触摸按键与所述垂直电极之间电容变化的感应元件；

所述按键面板包括：

第一面板，材质为金属，其上具有至少一个所述触摸按键；

第二面板，包括至少一个通孔，第二面板和第一面板贴合，所述通孔对应所述触摸按键；

所述第一面板的材料为柔性金属，所述第二面板的材料为刚性材料；

有按键发生动作时，所述触摸按键被手指按下，被手指按下的所述触摸按键和所述垂直电极之间的距离发生改变。

2.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述第一面板的材料为铝或铜，所述第二面板的材料为钢或陶瓷。

3.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述第一面板的厚度小于或等于所述第二面板的厚度。

4.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述第一面板的厚度为0.2～0.6mm，所述第二面板的厚度为0.6～0.8mm。

5.如权利要求1至4任一项所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述第一面板的触摸按键部分镂空。

6.如权利要求5所述的电容触摸按键系统，其特征在于，还包括设置在第一面板下的背光灯。

7.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述触摸按键为实心金属盘，所述触摸按键为圆形或方形。

8.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述垂直电极为金属片，并与所述触摸按键垂直。

9.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述按键面板的材质为金属，所述触摸按键一体形成在所述按键面板上。

10.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，还包括绝缘基座，所述绝缘基座由硬质绝缘材质构成，至少包括一个凹槽；所述垂直电极设置于所述凹槽内，与所述触摸按键一一对应构成电容。

11.如权利要求10所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述绝缘基座的材质为陶瓷。

12.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述触摸按键与所述垂直电极之间的间隙大于或等于8μm。

13.如权利要求12所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述触摸按键与所述垂直电极之间的间隙填充有柔性绝缘材料。

14.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，还包括侦测板，所述侦测板设置有多个所述感应元件，所述感应元件一一对应于所述触摸按键和垂直电极构成的电容。

15.如权利要求14所述的电容触摸按键系统，其特征在于，侦测板为印刷电路板或氧化铟锡薄膜。

16.如权利要求1所述的电容触摸按键系统，其特征在于，还包括与所述感应元件相连的检测电路。

17.如权利要求16所述的电容触摸按键系统，其特征在于，所述检测电路包括：微控制器和开关单元，所述开关单元连接在所述感应元件和微控制器之间。