电容式触摸按键面板层介质研究与应用.pdf

3272023中国家电科技年会论文集0 引言随着触摸控制技术的发展，触摸按键已逐渐取代机械式开关，在家用电器产品中得到广泛应用。触摸按键具有设计灵活性高、用户体验直观、易清洁、耐干扰性强等优点1。触摸按键种类主要包括电阻式和电容式。电阻式触摸按键在耐久性和抗干扰能力上表现较差，而电容式因其准确性高、耐用性强等优点2，已成为触摸按键的常用方案。触摸按键作为人机交互的第一步，其灵敏度和可靠性对用户体验的影响不容小觑。影响触控系统效果的因素较多。一是家用电器应用场所环境比较复杂，环境的变化易使触摸效果产生影响。谢容3等探讨了家用电器使用环境中温度和湿度等因素变化时对触摸系统的影响，并提出了一种解决环境变化引起的按键异常问题的方案。二是触摸系统本身的结构等方案设计也直接决定了触控系统的效果。季盛浩4通过原理性分析触摸按键电阻率、面作者简介：王晓莹，工学硕士学位。研究方向：通信/电子。地址：山东省青岛市崂山区海尔路1号。E-mail：。电容式触摸按键面板层介质研究与应用王晓莹1,3 张庆君2,3 岳添翼2,31.青岛海尔科技有限公司 山东青岛 266101；2.青岛海尔洗衣机有限公司 山东青岛 266101；3.数字化家电国家重点实验室 山东青岛 266101摘 要：电容式触摸按键以其准确性高、耐用性强等优点，在家用电器产品显示板触控系统中应用广泛。触摸按键作为人机交互的第一步，针对其灵敏度和可靠性的评估至关重要。为了研究电路板级结构对触摸灵敏度和可靠性的影响，基于电容式触摸原理，探讨顶层覆盖层金属介质差异（只镀铜和铜表面镀锡）导致的触摸效果的变化。最终，通过不同介质方案的验证对比发现，镀铜方案在数据灵敏度和稳定性上表现较好。通过8 mm和3 mm铜棒测试，镀铜方案z值6的频率约为65.2%，高于铜镀锡方案（28.8%）。通过z值分析，可对触摸按键设计和制造具有指导意义。关键词：触摸按键；电容式感应；面板层介质；效果分析Research and application of capacitive touch key on the panel layer mediumWANG Xiaoying1,3 ZHANG Qingjun2,3 YUE Tianyi2,31.Qingdao Haier Technology Co.,Ltd.Qingdao 266101;2.Qingdao Haier Washing Machine Co.,Ltd.Qingdao 266101;3.State Key Laboratory of Digital Household Appliances Qingdao 266101Abstract:Capacitive touch keys are widely used in display panel touch control system of household appliances for their advantages of high accuracy and durability.As the first step of human-computer interaction,the sensitivity and reliability evaluation of touch keys is very important.In order to study the influence of circuit board level structure on touch sensitivity and reliability,based on the principle of capacitive touch,the change of touch effect caused by the difference of metal medium in the top layer(only copper plating and tin plating on the copper surface)was discussed.Finally,through the verification and comparison of different media schemes,it is found that the copper plating scheme has better performance in data sensitivity and stability.Through 8 mm and 3 mm copper rod tests,the frequency of z-value6 in copper plating scheme is about 65.2%,which is higher than that in copper tin plating scheme(28.8%).Through z-value analysis,it can guide the design and manufacture of touch keys.Keywords:Touch key;Capacitive induction;Panel layer medium;Effect analysis 中图分类号：TP212 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.074328 2023中国家电科技年会论文集板层厚度、手指接触面积、面板层介质变化等因素，提出了提高按键灵敏度的设计规范。周书宇2等通过对触摸板初始电容、寄生电容和尺寸大小的研究，提出了一种底层铺铜和顶层覆盖的设计方案，提高了灵敏度和抗干扰能力。针对电容式触摸按键系统的研究较多，但目前对于面板层金属介质对触摸控制系统效果的影响缺少实践探讨，缺乏准确可靠的研究结论。基于电容式触摸按键，本文对电容触摸感应原理做了详细说明，通过引入统计学分析因子，对比了两种面板层金属介质方案对触摸效果的影响，为电容式触摸系统PCB设计提供了一定思路。1 电容触摸感应原理1.1 电容式感应方法电容式感应方法通过检测手指触摸、按压等动作及状态的电信号，接触和抬起的状态可相当于按下机械按键和松开机械按键的状态。这些电信号的检测将转变为触摸感应电容值的变化5。而外围电路的设计可以把这种触摸感应电容的变化通过模数信号转化的形式，表达为数字量。这些数字量作为判定触摸动作是否存在的依据，将再经过一系列程序运行，体现在界面上，显示成有无触摸动作的指示，以此控制机器运转5。另外，由于寄生电容的存在，在进行按压动作时，触摸按键的表面覆盖层使得手指和按键感应区域这两个电极之间产生平行板电容效应。因为手指-感应区电容的存在，触摸区域的电容将有所变化。1.2 平行板电容器和电容等效模型手指未接触触摸板时，PCB金属焊盘和周围的“地”存在的感应电容，称之为寄生电容，记为C0。寄生电容是由硬件电路板走线、过孔等导体间的耦合电场共同产生的。其表现形式包括表面覆盖层效应、传感器效应、电路板走线布局效应、电路板过孔布局效应以及控制器引脚电容效应6。手指按压的过程则等同于触摸按键与大地形成的寄生电容与手指和大地形成的电容（记为CF）相并联的过程。根据电容并联公式，当多个电容并联时，总电容值为：Cp=C1+C2+.+Cn （1）式中：Cp为并联后的总电容值，单位为法拉，符号为F；Ci（i=1,2,.,n）指各并联的电容，单位为法拉，符号为F。因此，当前的总电容值就会从C0变为C0+CF。根据平行板电容器的电容公式6：（2）式中：C为电容值，单位为法拉，符号为F；为相对介电常数，无量纲；0为真空介电常数，值为8.8510-12，单位为法拉每米，符号为F/m；S为平行板有效面积，单位为平方米，符号为m2；D为平行板间距，单位为米，符号为m。因此，当有效接触面积和平行板间距一定时，等效电容值与导电介质的相对介电常数有关。另外，当手指接触感应区域时，手指为与大地间的导电介质，为手指的相对介电常数，D为手指与电路板触摸感应区的有效接触面积。当在感应区域层增加其他覆盖材料时，该覆盖材料作为导电介质，为该覆盖材料的相对介电常数，D为该覆盖材料与电路板感应区域的有效接触面积。1.3 充放电分析充电时，电容电压随时间变化如式（3）：（3）放电时，电容电压随时间变化如式（4）：（4）式中：VCC为电源电压，单位为伏特，符号为V；R为振荡电阻，单位为欧姆，符号为；C为触摸按键的电容，单位为法拉，符号为F；U1为放电的截止电压和充电的起始电压，单位为伏特，符号为V；U2为充电的截止电压和放电的起始电压，单位为伏特，符号为V。充电时间和放电时间如式（5）：；（5）因此，触摸电容的单次充放电时间为：（6）1.4 采样值分析根据式（2）和式（6），按键的实时采样值为：（7）在确定F、MP及U1、U2等RawCount的调试参数之后，按键的信号值RawCount就只与电容C及振荡电阻R呈线性关系4。3292023中国家电科技年会论文集2 面板层介质变化实验设计在电容式触摸电路板PCB生产工艺中，电路板顶层金属覆盖层材料一般有铜和铜镀锡两种方案。为了探究触摸板顶层金属覆盖层材料变化对触摸效果的影响，本研究引入以上两种不同的工艺方案。以大滚筒洗衣机A为实验样本，样本量15台，每台样本按键数33个，实验器材为显示面板。根据ETP_0910E003触摸测试标准，使用底面直径分别为8 mm和3 mm、长为10 cm的铜柱进行实验。2.1 方案实现触摸系统IC采集到的按键信号值用RawCount表示，没有按键按下时的RawCount用Baseline表示。由于实验获取到的数据量较大，约有215332=1980组数据，每组数据根据不同的按键按压时间约有20100个数据不等。为了处理这些数据，从冗余繁杂的数据中提取有效信息，本研究设计了一种自动化取值算法工具：首先自动计算RawCount-Baseline的差值。当有按键被按下时，取按下时的第一个差值记为该按键的on值。当没有按键被按下时，取差值的最大值记为该按键在按压时的响应值。算法流程图如图1所示。2.2 对比验证整理后的数据分析结果如图2所示（彩图请查看论文电子版）。使用8 mm铜柱进行按键实验，铜和铜镀锡方案的响应值对比如图2 a)所示，标准差值对比如图2 b)所示。使用3 mm铜柱进行按键实验，铜和铜镀锡方案的响应值对比如图2 c)所示，标准差值对比如图2 d)所示。从原理上看，提出不同的铜板方案和铜镀锡板方案的原因，是两种金属在导电性和防氧化能力方面的表现不同。锡的导电率较低，其导电率约为9.2106 S/m，但它具有良好的可焊性，常用于焊接 c)3 mm铜柱测试响应值对比 d)3 mm铜柱测试标准差值对比图2 数据分析结果图a)8 mm铜柱测试响应值对比 b)8 mm铜柱测试标准差值对比图1 自动化取值工具算法流程图330 2023中国家电科技年会论文集电子元件、制造电子封装材料，能够提供良好的电磁屏蔽效果。与锡相比，铜是一种具有极高导电率的金属。铜的导电率约为5.9107 S/m，属于最常用的导电金属之一。铜具有良好的导电性能、热传导性能。由于其低电阻和高导电率，能够有效传输电信号。锡和铜在导电方面的差异主要是由于它们的晶格结构和电子排布的不同所致。锡的晶格结构为简单立方型，而铜的晶格结构为面心立方型。锡的电子排布较为复杂，导致其导电性较差。而铜的电子排布较为紧密，使得其导电性能出色。另外，在大气环境中，铜很容易氧化发黑或产生铜绿，铜表面镀锡可以避免铜被空气氧化。从响应值曲线来看，对于8 mm铜柱，铜镀锡方案的响应值在大部分按键上略低于只镀铜方案，对于3 mm铜柱，铜镀锡方案的响应值整体均低于只镀铜。铜表面镀锡在一定程度上降低了触摸感应区的导电性能，降低了高导电率金属与手指的有效接触面积，根据式（2）平行板电容器的电容公式，等效电容将降低。根据式（7），按键的响应值和灵敏度将降低。存在部分按键，铜镀锡方案的响应值高于只镀铜的情况，这是测试数据的偶然性决定的，不作讨论。从标准差曲线来看，铜镀锡方案的响应值数据离散程度较高，数据集中性不好。铜表面镀锡增加了触摸感应区金属材质表面贴附程度，影响了接触面平滑性，使触摸测试时数据离散程度增加。2.3 总结分析为了更精确的评价两种方案，引入6质量分析工具中的水平z值，有：（8）式中，X为响应值，为响应值均值，为标准差值。z值指流程的平均值以为单位离规格限的偏移程度。表1为6质量分析工具中的水平对照表。图3 a)和b)分别为8 mm和3 mm的z值对比图。为了便于统计分析，按照z值范围对两种测试方案进行对比，结果如表2所示。表2 z值频次表z值范围8 mm铜z值频次8 mm铜镀锡z值频次3 mm铜z值频次3 mm铜镀锡z值频次1214002361301347100545341656411361213118z值表征该批次样本参数离规格限的偏移程度，可以根据z值分析进行结构评估和方案修正。由图3、表4可知，镀铜方案的z值整体高于铜镀锡方案，说明在该批次实验样本范围内采集的数据合格率更高。但从图3来看，在某些按键的z值表现要高于只镀铜方案的z值，表明在该批次测试样本范围内，针对这些按键，铜镀锡方案的合格率更高。3 结论电容式触摸按键在家用电器产品中已有广泛应用。影响电容式触摸控制系统的因素较多，为了探究电路板感应区域覆盖层金属材质变化对触摸效果的影响，本文通过原理分析和不同介质方案（镀铜、铜镀锡）的验证对比，并引入一种自动化取值工具和质量统计分表1 水平对照表Cpk水平z（值）（无偏移）合格率百万故障率（PPM）0.331.068.27%3173110.672.095.45%4550001.003.099.73%27001.334.099.9937%63.31.675.099.999943%0.5702.006.099.9999998%0.002 a)8 mm铜柱测试 b)3 mm铜柱测试图3 z值对比图 3312023中国家电科技年会论文集析工具，对两种方案的稳定度进行了相应评价，对触控系统PCB设计起到一定的指导意义。主要有以下结论：（1）金属覆盖层虽然具有相近的介电常数，但在实际应用中，产生的触摸效果有明显差异。主要表现在数据响应灵敏度和数据稳定性方面。在该批次测试对象范围内，镀铜方案采集的响应值基本大于铜镀锡方案的响应值。这是由于铜表面镀锡在一定程度上降低了触摸感应区的导电性能和有效接触面积，等效电容降低，从而使按键的响应值和灵敏度降低。另外，数据稳定性方面，铜镀锡方案的响应值数据离散程度高。这是由于铜表面镀锡影响了触摸感应区金属材质表面贴附程度和接触面平滑性。（2）由水平分析可知，在该批次测试对象范围内，铜镀锡方案在该批次按键合格率表现偏差。考虑到影响按键的因素较多，可能与这些按键结构、样本差异性和测试环境等有关。为了获得详细的指导性结论，应继续开展实验进行深入探讨。参考文献1 高岭松,宋佳祥,徐新.带有触摸式按键的家电产品在安全试验中的常见问题分析J.家电科技,2021(06):120-123.2 周书宇,郭庆,许金,等.单触式电容按键传感器结构解析及灵敏度研究J.仪器仪表用户,2018,25(02):11-14+82.3 谢容,郑良剑.环境对触摸按键系统的影响及一种软件自适应设计方案J.家电科技,2022(zk):466-469.4 季盛浩.影响电容式触摸按键灵敏度的因素及设计规范J.科技创新与应用,2020(27):88-90.5 徐平.家电电容式轻触感应按键原理以及设计方式J.电子测试,2019(09):30-31+138.6 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