【導(dǎo)讀】人機(jī)界面（HMI）正在經(jīng)歷地震變化，現(xiàn)在有一種新方法可用于設(shè)計(jì)按鈕面板。在創(chuàng)建金屬觸摸（ToM）按鈕時(shí)，電感式傳感技術(shù)正成為首選方法。主要原因是它可以降低成本，同時(shí)更加可靠，因?yàn)樗皇芩趾臀酃傅挠绊懀⑶以诎l(fā)生輕微的結(jié)構(gòu)損壞時(shí)繼續(xù)工作。通過(guò)感應(yīng)金屬面板的微小偏轉(zhuǎn)，電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器（LDC）能夠?qū)⒈〗饘倨兂筛叨瓤煽康腡oM按鈕面板，而無(wú)需任何移動(dòng)部件。
本文介紹了一種多按鈕拉絲鋁面板的設(shè)計(jì)實(shí)例，該面板常見于家用電器和消費(fèi)類電子產(chǎn)品。這種方法也可以應(yīng)用于其他材料，如不銹鋼或金屬合金。它提供有關(guān)機(jī)械系統(tǒng)和傳感器設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，并包含完整系統(tǒng)示例的測(cè)量性能結(jié)果。
用于觸摸金屬按鈕的電感式傳感技術(shù)
電感式傳感技術(shù)能夠根據(jù)交流（AC）磁場(chǎng)的變化測(cè)量與金屬的接近程度。在電感器中流動(dòng)的AC電流產(chǎn)生垂直于電流的AC磁場(chǎng)。LDC測(cè)量當(dāng)導(dǎo)電目標(biāo)進(jìn)入傳感器的AC磁場(chǎng)附近時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)線圈的電感偏移。測(cè)量的電感偏移可用于在目標(biāo)接近傳感器線圈時(shí)精確定位目標(biāo)。
在感應(yīng)式ToM系統(tǒng)（圖1）中，傳感器線圈位于每個(gè)按鈕下方。金屬表面上的輕壓會(huì)導(dǎo)致微米的暫時(shí)偏轉(zhuǎn)。雖然無(wú)法看到或感覺到這種變化（除了故意提供的觸覺反饋），但高分辨率LDC很容易檢測(cè)到。然后，該事件被解釋為微控制器按下系統(tǒng)中的按鈕。
圖1：觸摸金屬實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)要求
出于本討論的目的，示例家用電器具有帶有兩個(gè)相鄰按鈕的ToM控制面板，每個(gè)按鈕的直徑為20mm，間隔26mm（中心到中心）。面板表面是一個(gè)0.8毫米厚的扁平鋁板，每個(gè)按鈕下方銑削至0.25毫米厚。音頻子系統(tǒng)需要聲音反饋，該子系統(tǒng)已經(jīng)存在于系統(tǒng)中，以便在按下按鈕時(shí)向用戶指示。
為了在設(shè)計(jì)電感式傳感技術(shù)系統(tǒng)時(shí)獲得最佳結(jié)果，需要考慮以下三種設(shè)計(jì)類別：
1.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
了解影響系統(tǒng)響應(yīng)的關(guān)鍵因素，例如按鈕的數(shù)量，大小和布置，以及傳感器間距和安裝技術(shù)的最佳目標(biāo)。
2.傳感器設(shè)計(jì)系統(tǒng)的
最佳傳感器設(shè)計(jì)實(shí)踐和適當(dāng)?shù)木€圈幾何形狀確保LDC可以檢測(cè)微觀金屬偏轉(zhuǎn)。
3.軟件算法和用戶反饋
數(shù)據(jù)處理和檢測(cè)算法用于確定按下按鈕的時(shí)間和力度。
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖2顯示了此示例應(yīng)用程序中的兩個(gè)相鄰按鈕。
圖2：使用相鄰按鈕
當(dāng)輕微力施加到按鈕A時(shí)，金屬片在按鈕A處局部地朝向印刷電路板（PCB）傳感器偏轉(zhuǎn)。由按鈕按壓引起的偏轉(zhuǎn)量應(yīng)足夠大，以引起LC傳感器中的顯著頻率偏移，其可由LDC檢測(cè)并由算法處理。諸如相鄰按鈕偏轉(zhuǎn)或其他環(huán)境噪聲之類的潛在誤差源可掩蓋所需的響應(yīng)。因此，按鈕檢測(cè)事件的所需偏轉(zhuǎn)量應(yīng)該產(chǎn)生比系統(tǒng)噪聲大10倍的響應(yīng)，以確保檢測(cè)算法的余量。例如，如果系統(tǒng)噪聲顯示為±0.5μm移動(dòng)，則按鈕需要移動(dòng)至少5μm才能輕松檢測(cè)到。
有許多因素會(huì)影響按鈕按壓產(chǎn)生的金屬偏轉(zhuǎn)量，例如金屬材料和厚度。通過(guò)良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，典型按鈕的金屬偏轉(zhuǎn)約為20-50μm。
1.設(shè)計(jì)自然按鈕力
提供內(nèi)置觸覺反饋的典型機(jī)械按鈕，例如消費(fèi)電子產(chǎn)品或家用電器中的觸覺反饋，需要2 N到5 N的力。對(duì)于非移動(dòng)部件的按鈕，消費(fèi)者自然期望0.5N和2N之間的較小力。為了確定在施加期望的力時(shí)金屬板變形多少，需要考慮金屬成分，厚度和按鈕結(jié)構(gòu)。
與使用較厚的板材相比，使用更薄的金屬板可在給定的力下產(chǎn)生更大的變形（圖3）。例如，需要0.2N的力使0.25mm厚的鋁板暫時(shí)變形5μm。0.5mm板厚所需的等效力為1.5N。
圖3：Al-6061-T6示例板的力與平均偏差
材料選擇可以顯著影響實(shí)現(xiàn)適當(dāng)偏轉(zhuǎn)量所需的力的大小，即使兩種材料的金屬厚度相同。不同的材料可以通過(guò)它們的楊氏模量進(jìn)行比較，楊氏模量是金屬?gòu)椥缘牧慷?，以帕斯卡（Pa）為單位測(cè)量。具有較低楊氏模量的材料通常更靈活。鋁（AL6061-T6）的楊氏模量為68.9 GPa，而不銹鋼（SS304）的楊氏模量較高，為203 GPa，這使其柔韌性比鋁低三倍。鋁是電感式傳感的理想材料選擇，因?yàn)樗褥`活又可在電感式線圈上產(chǎn)生高電感變化。諸如SS304的材料提供了穩(wěn)健的結(jié)果，但是對(duì)于給定的偏轉(zhuǎn)可能需要更大的力。
SS304具有203 GPa的較高楊氏模量，這使其柔韌性比鋁低三倍。鋁是電感式傳感的理想材料選擇，因?yàn)樗褥`活又可在電感式線圈上產(chǎn)生高電感變化。材料如SS304提供穩(wěn)健的結(jié)果，但對(duì)于給定的偏轉(zhuǎn)可能需要更大的力。兩種材料之間給定壓力量的偏差差異如下所示圖4。
圖4：不同材料的力與平均偏差
通常，需要更大的偏轉(zhuǎn)，因?yàn)樗鼮長(zhǎng)DC傳感器提供了更大的電感偏移。
2.目標(biāo)距離
傳感器和金屬之間的標(biāo)稱距離在用戶必須按壓以產(chǎn)生明顯的電感偏移的難度方面起著重要作用。隨著金屬靶接近傳感器，電感偏移量迅速增加。因此，最佳目標(biāo)距離是傳感器靈敏度處于峰值的位置，但仍具有偏轉(zhuǎn)空間。為了考慮制造公差并確保仍有金屬偏轉(zhuǎn)的空間，請(qǐng)保持金屬與傳感器之間的標(biāo)稱間距大于0.2 mm。可以通過(guò)在按鈕下方的金屬中創(chuàng)建凹陷區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)這種間距，或者通過(guò)在金屬和PCB傳感器之間使用具有切口的小間隔物來(lái)允許金屬偏轉(zhuǎn)。此外，靈敏度迅速下降超過(guò)線圈直徑的20％; 因此，圖5）。
圖5：最佳目標(biāo)距離
3.機(jī)械隔離
當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)按鈕時(shí)，可能發(fā)生不同按鈕之間的不期望的交互。例如，當(dāng)按下按鈕A時(shí)，鄰接的金屬表面可能以這樣的方式變形，即在相鄰的按鈕B傳感器上發(fā)生大量的移動(dòng)，并且可能表現(xiàn)為按鈕B的非預(yù)期的按鈕按壓。在主動(dòng)按壓期間，這些三個(gè)原則可以幫助減少相鄰按鈕之間的機(jī)械串?dāng)_：
確保預(yù)定按鈕的物理偏轉(zhuǎn)更大。從電氣角度來(lái)看，真正的按鈕按下與不需要的檢測(cè)之間的大信噪比（SNR）是檢測(cè)正確按鈕按下事件的最簡(jiǎn)單方法。使用更薄的金屬或選擇具有低楊氏模量的材料可確保金屬更容易變形并且對(duì)相鄰按鈕的影響更小。例如，鋁比許多不銹鋼合金更柔韌。
增加距離或在相鄰按鈕之間增加凹槽可改善機(jī)械隔離。為獲得最佳效果，請(qǐng)將按鈕到按鈕的間距設(shè)置為大于一個(gè)直徑的線圈。
按鈕或結(jié)構(gòu)樞軸點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)支撐可以促使按鈕上的金屬變形更強(qiáng)（圖2）。
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