不均勻表面的觸控電極設計

過去幾年來，觸控已經成為下一代用戶介面的標準輸入方法，涵蓋了從白色家電到智慧型手機和平板電腦的許多日常應用。然而，在一些表面不平坦或採用更多形狀與元件開發的現代設計中增加觸控功能，往往也更具挑戰性。本文將討論如何在具有不同厚度和曲面塗覆層的分離式按鍵等不均勻表面上實現觸控偵測功能。

氣隙填充

當在曲面內安裝剛性感測器PCB時，在塗覆層和電容器感測器之間會產生空氣間隙。PCB和塗覆層材料之間的氣隙會降低電容器觸控感測器的性能。由於空氣的介電常數比大多數塗覆層材料要小得多，因此靈敏度也會下降。表1顯示與空氣相較一些常用塗覆層材料的介電常數。本文將討論兩種消除氣隙主要方法：彈簧觸點和可撓性PCB。

表1：材料屬性估計(僅供參考，實際值需與設計者確認)。

使用彈簧觸點

彈簧和導電橡膠或碳觸點能夠有效地去除PCB和塗塗覆層之間的氣隙。在無法將電極PCB固定到塗覆層的應用中，導電橡膠或碳觸點能有效地消除較小的空氣間隙，而更大的氣隙可用彈簧去除。

圖1：導電橡膠可用來去除塗覆層和PCB之間的微小氣隙。。

圖2：焊接到PCB焊盤上的簡單螺旋型彈簧，可用於消除感應電極和塗覆層間的較大氣隙。

使用彈簧將電極連接到塗覆層的缺點是，觸控電極的表面積受限於所用彈簧的尺寸。根據公式1所示的平行載板公式，表面積小意味著靈敏度低。這將限制塗覆層的可用厚度，或一定厚度下塗覆層的相對介電常數。

為了提高靈敏度，可以使用導電帶(金屬箔)。這種導電帶可黏貼到塗覆層上，當彈簧壓向它時可以提供更大的表面積。在塗覆層要求透明(如適應背光照明)的應用中，可以考慮使用諸如摻銦氧化錫(ITO)等透明的導電薄膜。還有一種方法是在彈簧頂端使用電池端子常用的那種金屬板。

公式1顯示平行載板電容器公式，其中A是焊盤的面積，ε_0是空氣的介電常數，ε_r是塗覆層材料的相對介電係數，d是塗覆層的厚度。彈簧也可以連接到導電漆的表面。導電漆可以用在觸控按鍵區周圍，提供更大的表面積(A)，以增加接近偵測距離。導電漆可應用於任何不均勻的表面。

塗覆層的塑模支柱

Azoteq公司的最新一代觸控控制器提供了消除空氣間隙的另外一種方法。如IQS333和IQS360等新款控制器讓設計者可用較便宜的非導電材料消除任何氣隙。例如，在製造作為塗覆層的塑模元件時，可在觸控位置增加支柱，如圖3所示。

圖3：塑模塗覆層在電極上形成支柱，因而消除氣隙。

可撓性PCB

在一些應用中，觸控按鍵的間距要求感應電極必須接近放置。在這些應用中，彈簧或橡膠觸點不是最好的選擇。設計者可能必須使用更具方向性的投射式電容器感應方法。一些應用要求在按鍵之間提供保護遮罩，因而必須在自電容器電極之間增加接地，以降低多點觸控的風險。

在這類應用中，設計人員可透過搭配曲面來消除氣隙，這可以透過使用雙面膠帶將可撓性電路板(FPC)固定到曲線上來建置。設計者可選擇製作完整的FPC模組，其中包括觸控控制器和感應電極。另外一種方法是在FPC上只放置感應電極，然後透過電纜連接器或FPC軟板連接到控制器。

圖4：採用自電容器觸控電極的FPC與FPC軟板。

在為3D表面(兩個或更多方向的曲面，見圖5)進行設計時必須特別小心。將FPC安裝到3D曲面可能必須裁剪以便順利安裝而不致於形成氣隙。在具有較大曲面和出現氣隙風險的情況下，最簡單的方法是使用帶彈簧觸點的固定PCB。

圖5：3D曲面示意圖。

一種替代方法是保持PCB面平坦(以便能使用與塗覆層間沒有氣隙的普通平面PCB)，只在進行用戶互動的另一面有彎曲。這樣還能簡化製造過程，特別是對具有難度的材料(如木材塗覆層)來說。這種方法確實會形成不均勻的塗覆層厚度，但在電極設計中可以得到補償。本文接下來討論不同的電極設計。

設計者應該還記得，對於無需太大曲面的PCB應用中，採用較薄的FR4 PCB(0.1-0.2mm)可為FPC提供更具成本效益的解決方案。

在將元件放置到可撓性PCB上時，必須十分小心地擺放在不會彎曲的區域，才能降低元件故障(如電容器破裂)的風險。

標準FPC的一個變化是，出於背光照明的目的，將ITO或PEDOT薄膜用於需要透明電極的透明塗覆層中。

(下一頁繼續：曲面補償)

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