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      壓電薄膜式壓電觸摸按鍵的制作方法

      文檔序號:7536337閱讀:1064來源:國知局
      專利名稱:壓電薄膜式壓電觸摸按鍵的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本實(shí)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(shù)
      壓電陶瓷在外力的作用下可產(chǎn)生電荷這一現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)幾十年了。目前己知的壓電材料 有幾十種。早期發(fā)現(xiàn)的壓電材料主要是石英和電氣石等一些單晶材料,后來發(fā)現(xiàn)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于壓電及工藝性能 較差,很難滿足工業(yè)應(yīng)用的要求,限制了壓電技術(shù)的發(fā)展。在1942-1945年期間,美國、 前蘇聯(lián)及日本的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵酸制(BaTi0 3)是鐵電體,極化后具有壓電性能。鐵酸壩陶瓷 的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)壓電材料的發(fā)展,它不但使壓電材料從一些單晶體材料發(fā)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。后來人們發(fā)現(xiàn)了鋯鐵酸鉛PbZr03-Pb Ti 03(PZT)圓溶體系統(tǒng)有非常強(qiáng)及穩(wěn)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(xiàng)目所采用的壓電發(fā)電材料即是PZT。
      由于以往壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率較低、電子器件所需功耗較大,壓電發(fā)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(fā)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、集成芯片,也掌握了超低功耗電路系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。兩者的結(jié)合讓壓電發(fā)電裝置作為低功耗電子產(chǎn)品的能量來源成為可能。
      現(xiàn)有的按鍵,不防水,按鍵表面弧度不能任意變化,成本高。

      實(shí)用新型內(nèi)容
      本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提出一種壓電薄膜式壓電觸 摸按鍵。
      本實(shí)用新型壓電薄膜式壓電觸摸按鍵,其特征在于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(hù)膜、壓電薄膜、FPC和底部保護(hù)膜,主電路由電阻網(wǎng)絡(luò)、 微處理器和濾波電路依次串聯(lián)組成;所述壓電薄膜的正極接頂部保護(hù)膜的下表面,壓電薄膜的負(fù)極接FPC的上表面,F(xiàn)PC的下表面接底部保護(hù)膜的上表面,F(xiàn)PC的輸出端接電阻網(wǎng) 絡(luò)的輸入端。
      本實(shí)用新型可以防水,防濕氣,防腐,更有很強(qiáng)的抗干擾性。這樣對于一些高阻感應(yīng)材 料如ITO配合使用時,方案的可靠性更高。本項(xiàng)目的發(fā)明,可使得按鍵的外觀設(shè)計(jì)更有創(chuàng)新 空間,能改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)外觀的木納,繁雜,使得按鍵外觀可以有彎曲,折疊等等各種形狀供 設(shè)計(jì)人員參考。給人以更新穎獨(dú)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(hù)更簡單,清潔起來也更容易。由于壓電陶瓷觸摸按鍵不需要機(jī)械結(jié)構(gòu),相比 傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵和薄膜按鍵有著不可比擬的優(yōu)勢。按鍵的基本性能如行程,操作力和機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu),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?;臼褂脡勖?在1000W次以上。


      圖l:本實(shí)用新型壓電薄膜結(jié)構(gòu)圖; 圖2:本實(shí)用新型壓電按鍵組結(jié)構(gòu)圖; 圖3:本實(shí)用新型軟件流程圖。
      具體實(shí)施方式
      如圖1和圖2所示。本實(shí)用新型壓電薄膜式壓電觸摸按鍵,其特征在于包括壓電按鍵 組和主電路,其中壓電按鍵組由上至下依次為頂部保護(hù)膜、壓電薄膜、FPC和底部保護(hù)膜, 主電路由電阻網(wǎng)絡(luò)、微處理器和濾波電路依次串聯(lián)組成;所述壓電薄膜的正極接頂部保護(hù) 膜的下表面,壓電薄膜的負(fù)極接FPC的上表面,F(xiàn)PC的下表面接底部保護(hù)膜的上表面,F(xiàn)PC 的輸出端接電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入端。
      本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)方法采用交叉式的方式。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?yàn)楦采w層較薄,所以需要按鍵之間有良好的隔離。壓片陶瓷的尺寸, 采用和拇指大小對應(yīng)的尺寸。以達(dá)到最好的靈敏度,實(shí)現(xiàn)良好的傳感。在PCB板布線上, 接地面和按鍵在于印制板的同一側(cè)采用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(tǒng)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(jī)會。本項(xiàng)目采 用的走線寬度為0.2mm.在走線的位置上盡可能的減少與其他元器件的互感。沒有接近或并 行于高頻通信線路,以達(dá)到減少干擾的目的。
      本實(shí)用新型則將壓電發(fā)電技術(shù)與業(yè)界以低功耗著稱的MSP430系列單片機(jī)一起,研發(fā)出了新一代的壓電陶瓷觸摸按鍵。本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)徹底顛覆了傳統(tǒng)按鍵的設(shè)計(jì)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??蓮V泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)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(chǎn)
      品。MSP430系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)觸摸方式有兩種方式1: RC (阻容)方式;2: RO (松弛振
      蕩)方式。本項(xiàng)目采用的是RC (阻容)方式。RC方式實(shí)現(xiàn)按鍵的檢測使用P1.XP2.X端口。 在軟件上,重點(diǎn)是基準(zhǔn)電容的檢測。實(shí)現(xiàn)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(huán)境的影響,如系統(tǒng)供電電源,定時器計(jì)時的頻率高低及外部50/60HZ主 頻干擾,以上諸多因素都可能在一定程度上影響測量結(jié)果。對于此種影響,我們可以采用 軟件濾波算法,或者采用對多個測量取平均,來處理測量結(jié)果。
      如圖3所示。軟件的設(shè)計(jì)包含3個部分感應(yīng)按鍵的基準(zhǔn)電壓檢測,單個按鍵更功能 的實(shí)現(xiàn),多路按鍵的復(fù)用。
      1:基準(zhǔn)電壓檢測
      基準(zhǔn)電壓為按鍵未被觸時的電壓狀態(tài),即PCB板上"焊盤"的感應(yīng)電壓。在檢測感應(yīng)電 壓的觸摸或滑動按鍵功能之前,基準(zhǔn)電壓的檢測是軟件算法中非常重要的一個關(guān)鍵步驟, 因?yàn)槲覀冃枰鶕?jù)基準(zhǔn)電壓的大小設(shè)定一個按鍵閾值,判斷有無按鍵按下。同時,電源電 壓的穩(wěn)定性、PCB材質(zhì)、周圍環(huán)境如溫度、濕度等因素都會影響基準(zhǔn)電壓的檢測,所以在 實(shí)現(xiàn)電壓式觸摸感應(yīng)按鍵時需"動態(tài)"檢測該基準(zhǔn)電壓值,否則當(dāng)外界環(huán)境改變而影響基準(zhǔn) 電壓時,設(shè)定的按鍵閾值相應(yīng)會有偏差,從而引起按鍵的誤操作。
      本項(xiàng)目采用的是一種"動態(tài)"檢測基準(zhǔn)電壓值和根據(jù)基準(zhǔn)電壓值變化調(diào)整按鍵閾值的方 法,每一個按鍵均需要單獨(dú)使用這種方法進(jìn)行檢測,流程圖中的變量"BASE"基準(zhǔn)值并不是 反應(yīng)實(shí)際"焊盤"按鍵的感應(yīng)電壓值的增加或減小,而是軟件算法中的調(diào)整變量。
      完成一次檢測后,首先確定是否檢測到有效按鍵按下,本項(xiàng)目采用設(shè)定一個"最小檢測 閾值",只有當(dāng)檢測結(jié)果的變化值達(dá)到這個"最小檢測閾值"時,確認(rèn)為一次有效按鍵,而"最 小檢測閾值"比實(shí)現(xiàn)一個簡單的ON/OFF時在程序中實(shí)際所設(shè)定的基準(zhǔn)閾值會小很多。當(dāng)沒 有觸摸按鍵時,空按鍵寄生電壓放電時間單位為10;當(dāng)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(shè)置為中間值15。
      當(dāng)檢測到?jīng)]有按鍵按下時,調(diào)整"BASE"值,由檢測到基準(zhǔn)電壓值大小的改變情況決定如何調(diào)整"BASE"值,當(dāng)檢測到按鍵基準(zhǔn)電壓減小時,"BASE"值相應(yīng)地自動減小。當(dāng)按鍵 按下時,所檢測到的電壓值肯定增大,所以當(dāng)程序檢測到按鍵基準(zhǔn)電壓變小時,那么實(shí)際 的基準(zhǔn)電壓肯定是變小了,此時可以將"BASE"值與新檢測到的結(jié)果做平均運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)。
      當(dāng)檢測結(jié)果表明基準(zhǔn)電壓增大時,則須降低檢測基準(zhǔn)電壓的速度,此時基準(zhǔn)電壓的增 加,可能為基準(zhǔn)電壓真的增大了,或者可能是當(dāng)手指正在靠近PCB上的感應(yīng)按鍵時引起的, 此時過快調(diào)整"BASE"值,將導(dǎo)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(zhǔn)電壓值增加,那么可以在程序中進(jìn)行簡單的調(diào)整,即將"BASE"值進(jìn)行加1操 作。
      2:單個按鍵功能的實(shí)現(xiàn)
      單個按鍵的檢測即為開關(guān)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(yīng)電壓,未觸摸的按鍵被測量出的結(jié)果只是一個基準(zhǔn) 數(shù)值,即基準(zhǔn)電壓的充放電數(shù)值,第二個按鍵由于手指觸摸后感應(yīng)電壓壓量的增加,所以 增加一個最大計(jì)數(shù)值,每一個按鍵的靈敏度要根據(jù)所設(shè)定的按鍵閾值決定,該閾值在基準(zhǔn) 電壓和觸摸的最大計(jì)數(shù)值之間調(diào)整,同時,設(shè)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(zhǔn)確性與按鍵的可靠性、穩(wěn)定性。
      3:多路按鍵復(fù)用實(shí)現(xiàn)
      實(shí)現(xiàn)多路觸摸按鍵時,經(jīng)常需要多個觸摸按鍵點(diǎn),當(dāng)利用MSP430系列微控制器的I/O 口實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵時,可能I/0口數(shù)量不夠,此時可以采用多個按鍵共用一個1/0 口來實(shí)現(xiàn)。 一個1/0 口接幾個觸摸按鍵,當(dāng)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,那么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(shí)際被按下 為中間指示的按鍵,但是兩側(cè)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,此時可以通過軟件判斷是中間按鍵被按下。
      4:按鍵碼輸出方式
      采用MSP430系列單片機(jī)有多個型號的芯片供選擇,可根據(jù)具體應(yīng)用分別采用并口, 串口, SPI總線,12C總線,RS485總線,CAN總線等數(shù)字輸出方式,也可以采用DA輸出 模擬信號,直接取代原來采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(shè)備,移動電話 中,具有占用I/O 口線少的特點(diǎn)。采用DA輸出方式時,可以應(yīng)用MSP430單片機(jī)的PWM 模塊產(chǎn)生模擬電壓,或者電阻網(wǎng)絡(luò)生成模擬電壓,而不必采用帶DA模塊的芯片,從而減 低成本,適用于對成本極端敏感的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中,而電阻網(wǎng)絡(luò)生成模擬電壓具有電磁 輻射小的特點(diǎn),能提高產(chǎn)品的EMC性能。
      5:低功耗控制
      傳統(tǒng)的按鍵檢測芯片功耗較大,本方案中采用微功耗的MSP430系列單片機(jī),能有效 降低按鍵模塊的待機(jī)電流,延長了電池的使用壽命,因此特別適合于手持設(shè)備,移動電話, 綠色家電中。模塊在待機(jī)時靜態(tài)電流小于1毫安。
      權(quán)利要求1.一種壓電薄膜式壓電觸摸按鍵,其特征在于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(hù)膜、壓電薄膜、FPC和底部保護(hù)膜,主電路由電阻網(wǎng)絡(luò)、微處理器和濾波電路依次串聯(lián)組成;所述壓電薄膜的正極接頂部保護(hù)膜的下表面,壓電薄膜的負(fù)極接FPC的上表面,F(xiàn)PC的下表面接底部保護(hù)膜的上表面,F(xiàn)PC的輸出端接電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入端。
      專利摘要本實(shí)用新型公布了一種壓電薄膜式壓電觸摸按鍵,其特征在于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(hù)膜、壓電薄膜、FPC和底部保護(hù)膜,主電路由電阻網(wǎng)絡(luò)、微處理器和濾波電路依次串聯(lián)組成;所述壓電薄膜的正極接頂部保護(hù)膜的下表面,壓電薄膜的負(fù)極接FPC的上表面,F(xiàn)PC的下表面接底部保護(hù)膜的上表面,F(xiàn)PC的輸出端接電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入端。本實(shí)用新型防水,防濕氣,防腐,具有很強(qiáng)的抗干擾性。
      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(yōu)先權(quán)日2009年1月7日
      發(fā)明者松 嚴(yán), 劉正東, 明 唐, 程明慧, 江 龍, 濤 龍 申請人:江蘇惠通集團(tuán)有限責(zé)任公司
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