触摸屏和触摸按键设计

触摸按键与触摸屏设计指导徐国斌[e-mail]目录：1．概述2．触摸按键设计指导3．触摸屏设计指导4．LensTouchPanel设计指导5．电容式LensTouchPanel6．附录：Psoc触摸按键问答1.概述对触摸屏与触摸按键在手机中的设计与应用进行介绍，对设计的经验数据进行总结。达到设计资料和经验的共享，避免低级错误的重复发生。2.触摸按键设计指导2.1触摸按键的功能与原理2.1.1触摸按键的功能触摸按键起keypad的作用。与keypad不同的是，keypad通过开关或metaldome的通断发挥作用，触摸按键通过检测电容的变化，经过触摸按键集成芯片处理后，输出开关的通断信号。2.1.2触摸按键的原理如下图，是触摸按键的工作原理。在任何两个导电的物体之间都存在电容，电容的大小与介质的导电性质、极板的大小与导电性质、极板周围是否存在导电物质等有关。PCB板（或者FPC）之间两块露铜区域就是电容的两个极板，等于一个电容器。当人体的手指接近PCB时，由于人体的导电性，会改变电容的大小。触摸按键芯片检测到电容值大幅升高后，输出开关信号。在触摸按键PCB上，存在电容极板、地、走线、隔离区等，组成触摸按键的电容环境，如下图所示。FingerTimeCBackgnCFingeCSensor=CBackgndCSensor=CBackgndCapacitanceC32.1.3触摸按键的按键形式触摸按键可以组成以下几种按键z单个按键z条状按键（包括环状按键）z块状按键单个按键条状按键块状按键2.1.4触摸按键的电气原理图如下：4在PCB板上的露铜区域组成电容器，即触摸按键传感器。传感器的信号输入芯片，芯片经过检测并计算后，输出开关信号并控制灯照亮与否。灯构成触摸按键的背光源。2.2触摸按键的尺寸设计按键可以是圆形、矩形、椭圆形或者任何其他的形状。其中以矩形和圆形应用最为普遍，如图所示：通常在按键的中间挖空，使PCB下方的光线可以通过挖空导到PCB上方，照亮LENS上的字符。根据ADI公司的推荐，按键大小尺寸如下表：按键的挖空尺寸与按键的大小相关，如下表52.3触摸按键的结构设计指导2.3.1LENS的材料、厚度与表面处理LENS的材料可以是塑料和玻璃等非导电物质，最常用的是PMMA。但是上面不能有金属。按键正上方1mm以内不能有金属。触摸按键50mm以内的金属必须接地，否则，金属会影响按键的灵敏度。所以在采用电镀、蒸镀、IMD、丝印等表面处理工艺时，要特别注意。（1）PMMA,PC,玻璃等lens材料的电镀性都不好，所以不会采用电镀工艺。（2）蒸镀/溅镀(VM):由于蒸镀/溅镀具有金属属性，它们对触摸按键灵敏度有影响。在采用蒸镀/溅镀工艺时，必须注意触摸按键的正上方1mm以内不能镀。注意这有可能会影响ID效果。需要在ID与触摸按键之间平衡。（3）NCVM不影响触摸按键。这是经过实验检查的结果，所以NCVM可以用在触摸按键的LENS上不受任何限制。（4）丝印/移印：如果丝印/移印具有Mirror效果的油墨，这种油墨中都含有金属离子，具有金属属性，所以这种油墨会影响触摸按键的灵敏度。这种情况与VM类似，必须注意触摸按键的正上方1mm以内不能印刷。Lens的厚度不超过2mm，1.5mm以内更好。根据触摸按键的工作原理，lens的厚度是越薄越好。由于触摸按键的LENS位于手机表面，需要承受外力作用。厚度太薄，强度会不够。所以触摸按键的LENS厚度在1.0~1.5mm之间。2.3.2双面胶触摸按键PCB与lens通过双面胶粘接。双面胶的厚度取0.1~0.15mm比较合适，多个公司推荐采用3M468MP，其厚度0.13mm.要求PCB与LENS间没有空气。因为空气的介电系数为1，与LENS的介电系数4相差很大。空气双面胶与PCB板采用两个孔定位。孔比定位销直径大0.1mm。为保证双面胶平整，可以再增加两个定位孔。两个定位孔的间距要尽可能大，这样才能保证精度！双面胶的开孔尺寸比PCB开孔尺寸大0~0.1mm。如果PCB开孔比lens字符大01mm以上，取0值。反之，取01。6会对触摸按键的灵敏度影响很大。所以双面胶与lens，双面胶与PCB粘接，都是触摸按键生产装配中的关键工序，必须保证质量。（1）首先PCB与双面胶粘接，如上图所示，要用定位夹具完成装配，装配完成后，要人工或者用夹具压紧。（2）在PCB带双面胶与LENS装配时，要求有定位装置，可以是夹具或者手机自身的限位。装配到位后，压紧最重要。批量生产中，需要用夹具压紧。如果不能压紧，触摸按键的灵敏度和可靠性就会降低。为了保证PCB板与LENS之间没有空气，需要在双面胶上开孔和排气槽，并且PCB上开孔配合。就像Dome上开排气槽一样。设计双面胶压紧夹具时，重点压触摸按键的部位，确保Sensor部位没有空气。实际证明，一些不灵敏、不稳定的按键，重贴双面胶并压紧后就好了！2.3.3触摸按键PCB板与FPC从理论上，触摸按键无论做在PCB板还是FPC上都能工作。事实上也有多个触摸按键做在FPC上的例子。首选的方案是PCB板，如果因为结构限制，PCB板实在困难，不得已才采用FPC。即使采用FPC，与触摸按键芯片配合的地方必须是平面，因为芯片不能弯曲与扭曲。如下图鼠标按键所示。FPC与曲面粘胶配合，实际加工装配中不如PCB与平面粘胶配合可靠，故导致触摸按键的可靠性降低。触摸按键与芯片在FPC上，手机键盘，CypressPsoc方案触摸按键与芯片在FPC上，鼠标按键，Sypnatics方案7对于弧面的lens，为了能够使用使用触摸按键PCB而不是FPC，要将与触摸按键PCB配合的部位设计为平面。如下图，为一个翻盖机sublens的背面，sublens上有触摸按键。ID坚持要在背面丝印，所以必须保证背面非常光滑，否则丝印质量无法保证。为了能够使用PCB而不是FPC，在与触摸按键板配合的地方设计成平面，平面与周围弧面处通过曲面圆滑过渡，成功解决了背面丝印并且能够与PCB配合。2.3.4触摸按键PCB开口设计触摸按键背光是重要的方面。背光设计不好，会对整个触摸按键都有影响。首先PCB板的开空尺寸确定。PCB开孔尺寸必须根据LENS上字符的大小决定。如图所示，PCB开孔尺寸比字符周边大0.1~0.3mm。反面例子：如果开孔尺寸比字符小，这透过字符的空隙，可以看到开孔以内的物体，和开孔以外的物体，即PCB板的绿色。这样会产生非常不好的视觉效果，给人以设计粗糙、产品低档的感觉。2.3.5触摸按键背光设计触摸按键背光有两种方案，下面分别介绍。(1).LED+反光膜8LED+反光纸LED的光线照到反光纸上，反光穿过PCB切口，照亮LENS上的字符。泡棉起两个作用，一个作用是密封作用，灰尘不会进入LENS赃污字符；另一个作用是支撑作用，支撑PCB紧贴着lens，防止PCB从LENS脱落。(2).LED+导光膜导光膜是一种透明导光的薄膜材料，厚度在0.1~0.2mm之间。在按键的位置，印刷有特殊的透光油墨，光线从这里垂直于导光膜向上射出。如下图所示，导光膜紧贴于PCB背面。在PCB背面布置2个以上侧发光LED灯，LED的光线照入导光膜内，在字符处射出，形成触摸按键的背光。如果LED+导光膜方案的背光亮度不够，可以在导光膜的背面再加一层反光纸。这种方法比第一种方案背光效果好。光线更均匀，省电。缺点是各个按键的背光不能单独控制，要亮都亮，要不亮就都不亮。LED+导光膜9如果透过lens的光线太强，感觉光线刺眼。硬件上可以通过调节LED的电流调节等的亮度。结构上可以通过半透效果使光线变得柔和。Tinted的程度（遮光率）在30%~60%之间。太高则可视性差，太低则效果不明显。60%tinted意味60%的光线被挡住了，只有40%的光线可以透过。1）采用tintedlens。由于lens本身具有半透的效果，穿过lens的光线减少，降低光的强度。同时透过lens，看手机内面的物体的清晰度也降低。2）在字符上加印一层半透油墨。字符处效果与上同，lens其它地方的透光率不变。等于局部tinted。要特别注意，透过LENS直接看到LED，就会刺眼。所以设计时，要注意这点。2.4．触摸按键供应商触摸按键虽然是一个比较老的技术，但是由于工艺技术问题，直到最近才用到产品上。有多家供应商提供触摸按键解决方案。其产品就是触摸按键的处理芯片。供应商做的事情就是卖芯片、提供技术支持。世界上主要的供应商为：1）Cypress.)Synaptics.)ADI.)Quantum,）ATlab,详细的技术资料可以从各公司的网站上得到。另外，STMicroelectronics购买了ATlab和Quantum的技术，也能制造触摸按键芯片。3.触摸屏设计指导3.1触摸屏的功能触摸屏的技术和产品已经应用在日常生活十年以上，早期受限于工艺技术与成本因素，主要是应用于大型的公共机台、资讯机、POS/POI等产品为主。随着通讯技术的发展，触摸屏在手机的应用越来越广泛。在手机上，它是与传统Keypad完全不同的输入方式。更加人性化的人机交互界面与操作方式，可以灵活多变的按键布局与菜单使它超过Keypad，代表着手机的发展方向。特别是电容式触摸屏在手机上的实用化，产品寿命与可靠性大幅提高，产品灵敏度大幅提高。触摸屏一般安装在显示屏的前端，它是由透明的板材组成，能够显示显示屏的内容，又能够检查人的触摸输入信号。触摸屏的基本原理是，用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置(以坐标形式)由触摸屏控制器检测，并通过接口(如RS-232串行口)送到CPU，从而确定输入的信息。触摸屏系统一般包括触摸屏控制器(卡)和触摸检测装置两个部分。其中，触摸屏控制器(卡)的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。103.2触摸屏的分类与工作原理3.2.1触摸屏的分类根据工作原理的不同，触摸屏分为如下几类：z电阻式触摸屏z电容式触摸屏z红外式触摸屏z表面声波式触摸屏目前，在手机上应用的只有电阻式与电容式两种触摸屏。z电容式：穩定性高、透光度佳、表面硬度強，但價格也相對高昂。z電阻式：構造簡易，但是透光度差、表面硬度在特性限制上不易提升，成本低廉。电阻式触摸屏应用较广，技术成熟，成本低。电容式触摸屏货源少，成本高，技术难度高，今年才开始应用到手机中，以Iphone的出现为代表。3.2.2触摸屏的供应商状况从技术上分，触摸屏的技术和供应商主要分日本和美国：z日本厂商---电阻式z美国厂商---电容式、红外式、表面声波式日本厂商中，以Panasonic产能最大。台湾厂商很多能够生产电阻式触摸屏。美国厂商中以3M产能最大，但主要是大尺寸的，还不能用在手机中。3.2.3电阻式触摸屏的工作原理11如图，是电阻式触摸屏的组成结构。触摸屏是由两层透明的板材组成，在两层板材的内层都印有透明的导电膜。两层板材通过周边的绝缘层隔开。当上层基板在手指或者触摸笔的压力下变形，与下层板材接触，上层与下层板电路连通。控制系统可以检测到电路连通了，并且能够计算出接触点的位置。电阻式触摸屏的电路原理如下：123.3常规电阻触摸屏的一般规格触摸屏的厚度在1.0~1.2mm。触摸屏的透光率在80%左右。表面硬度3H。3.4常规电阻触摸屏的结构设计3.4.1触摸屏的FPC联接最常用的是4线式电阻触摸屏，也有5线式、8线式。FPC与手机电路的连接有两种方式。1）触摸屏FPC与LCD连接。可以FPC焊接到LCD的FPC上，也可以在LCD的FPC上焊接4pinconnector，触摸屏的FPC插入联接器。2）触