【導讀】人機界面（HMI）正在經歷地震變化，現在有一種新方法可用于設計按鈕面板。在創建金屬觸摸（ToM）按鈕時，電感式傳感技術正成為首選方法。主要原因是它可以降低成本，同時更加可靠，因為它不受水分和污垢的影響，并且在發生輕微的結構損壞時繼續工作。通過感應金屬面板的微小偏轉，電感數字轉換器（LDC）能夠將薄金屬片變成高度可靠的ToM按鈕面板，而無需任何移動部件。
本文介紹了一種多按鈕拉絲鋁面板的設計實例，該面板常見于家用電器和消費類電子產品。這種方法也可以應用于其他材料，如不銹鋼或金屬合金。它提供有關機械系統和傳感器設計的指導，并包含完整系統示例的測量性能結果。
用于觸摸金屬按鈕的電感式傳感技術
電感式傳感技術能夠根據交流（AC）磁場的變化測量與金屬的接近程度。在電感器中流動的AC電流產生垂直于電流的AC磁場。LDC測量當導電目標進入傳感器的AC磁場附近時產生的感應線圈的電感偏移。測量的電感偏移可用于在目標接近傳感器線圈時精確定位目標。
在感應式ToM系統（圖1）中，傳感器線圈位于每個按鈕下方。金屬表面上的輕壓會導致微米的暫時偏轉。雖然無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很容易檢測到。然后，該事件被解釋為微控制器按下系統中的按鈕。
圖1：觸摸金屬實現的系統框圖
系統要求
出于本討論的目的，示例家用電器具有帶有兩個相鄰按鈕的ToM控制面板，每個按鈕的直徑為20mm，間隔26mm（中心到中心）。面板表面是一個0.8毫米厚的扁平鋁板，每個按鈕下方銑削至0.25毫米厚。音頻子系統需要聲音反饋，該子系統已經存在于系統中，以便在按下按鈕時向用戶指示。
為了在設計電感式傳感技術系統時獲得最佳結果，需要考慮以下三種設計類別：
1.機械系統設計
了解影響系統響應的關鍵因素，例如按鈕的數量，大小和布置，以及傳感器間距和安裝技術的最佳目標。
2.傳感器設計系統的
最佳傳感器設計實踐和適當的線圈幾何形狀確保LDC可以檢測微觀金屬偏轉。
3.軟件算法和用戶反饋
數據處理和檢測算法用于確定按下按鈕的時間和力度。
機械系統設計
圖2顯示了此示例應用程序中的兩個相鄰按鈕。
圖2：使用相鄰按鈕
當輕微力施加到按鈕A時，金屬片在按鈕A處局部地朝向印刷電路板（PCB）傳感器偏轉。由按鈕按壓引起的偏轉量應足夠大，以引起LC傳感器中的顯著頻率偏移，其可由LDC檢測并由算法處理。諸如相鄰按鈕偏轉或其他環境噪聲之類的潛在誤差源可掩蓋所需的響應。因此，按鈕檢測事件的所需偏轉量應該產生比系統噪聲大10倍的響應，以確保檢測算法的余量。例如，如果系統噪聲顯示為±0.5μm移動，則按鈕需要移動至少5μm才能輕松檢測到。
有許多因素會影響按鈕按壓產生的金屬偏轉量，例如金屬材料和厚度。通過良好的系統設計，典型按鈕的金屬偏轉約為20-50μm。
1.設計自然按鈕力
提供內置觸覺反饋的典型機械按鈕，例如消費電子產品或家用電器中的觸覺反饋，需要2 N到5 N的力。對于非移動部件的按鈕，消費者自然期望0.5N和2N之間的較小力。為了確定在施加期望的力時金屬板變形多少，需要考慮金屬成分，厚度和按鈕結構。
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現適當偏轉量所需的力的大小，即使兩種材料的金屬厚度相同。不同的材料可以通過它們的楊氏模量進行比較，楊氏模量是金屬彈性的量度，以帕斯卡（Pa）為單位測量。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，因為它既靈活又可在電感式線圈上產生高電感變化。諸如SS304的材料提供了穩健的結果，但是對于給定的偏轉可能需要更大的力。
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，因為它既靈活又可在電感式線圈上產生高電感變化。材料如SS304提供穩健的結果，但對于給定的偏轉可能需要更大的力。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，因為它為LDC傳感器提供了更大的電感偏移。
2.目標距離
傳感器和金屬之間的標稱距離在用戶必須按壓以產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，最佳目標距離是傳感器靈敏度處于峰值的位置，但仍具有偏轉空間。為了考慮制造公差并確保仍有金屬偏轉的空間，請保持金屬與傳感器之間的標稱間距大于0.2 mm。可以通過在按鈕下方的金屬中創建凹陷區域來實現這種間距，或者通過在金屬和PCB傳感器之間使用具有切口的小間隔物來允許金屬偏轉。此外，靈敏度迅速下降超過線圈直徑的20％; 因此，圖5）。
圖5：最佳目標距離
3.機械隔離
當系統中存在多個按鈕時，可能發生不同按鈕之間的不期望的交互。例如，當按下按鈕A時，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傳感器上發生大量的移動，并且可能表現為按鈕B的非預期的按鈕按壓。在主動按壓期間，這些三個原則可以幫助減少相鄰按鈕之間的機械串擾：
確保預定按鈕的物理偏轉更大。從電氣角度來看，真正的按鈕按下與不需要的檢測之間的大信噪比（SNR）是檢測正確按鈕按下事件的最簡單方法。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械隔離。為獲得最佳效果，請將按鈕到按鈕的間距設置為大于一個直徑的線圈。
按鈕或結構樞軸點之間的結構支撐可以促使按鈕上的金屬變形更強（圖2）。
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