Руководство по проектированию индуктивной сенсорной системы для применения в кнопках человеко-машинного интерфейса (ЧМИ)

Часть 1

Йибо Ю (Yibo Yu), Крис Оберхаузер (Chris Oberhauser)

Данное руководство по проектированию индуктивной сенсорной системы содержит общее описание типовой конструкции сенсора и электрической схемы сенсора для применения в кнопках человеко-машинного интерфейса (ЧМИ). Рассматриваются несколько факторов, которые влияют на чувствительность кнопок, включая выбор металла, форму сенсора, зависимость чувствительности от расстояния между рабочей поверхностью кнопки и индуктивным элементом и механическую изоляцию. Перечислены требования к электрическим параметрам гибкого сенсора на печатной плате и факторы, которые необходимо учитывать, чтобы добиться оптимальной чувствительности. Также предложены два варианта широко используемых конфигураций слоёв индуктивных сенсорных кнопок.

Конструкция

Реализация эффективного решения для индуктивных сенсорных кнопок требует соответствующей конструкции системы и согласования с ней конструкции сенсора. Конструкция должна также учитывать свойства материала, форму кнопки и монтаж и конструкцию самого сенсора. В следующих ниже разделах рассматривается каждый из этих вопросов.

Принцип действия

Рассмотрим плоскую металлическую пластинку, удерживаемую на некотором фиксированном расстоянии от сенсора в виде индуктивного элемента, как показано на рисунке 1. Если на металлическую пластинку воздействует сила, металл слегка деформируется. Например, при силе в 1 Н, что приблизительно соответствует весу компьютерной мышки, алюминиевая пластинка толщиной 1 мм и размером 15×15 мм деформируется примерно на 0,2 мкм. Эта деформация перемещает противоположную сторону пластинки ближе к сенсору LDC (преобразователь индуктивности в цифровой сигнал). Если воздействующее усилие снимается, пластинка возвращается в своё изначальное недеформированное состояние.

 Прогиб металла

Рисунок 1. Прогиб металла

Если проводящий материал находится вблизи индуктивности, магнитное поле будет создавать циркулирующие вихревые токи на поверхности проводника. Вихревые токи зависят от расстояния, размера и состава проводника. Если проводник отклоняется в сторону индуктивности, как показано на рисунке 1, вихревые токи будут сильнее.

Вихревые токи создают своё собственное магнитное поле, которое противодействует изначальному полю индуктивного элемента. Этот эффект уменьшает индуктивность системы, что приводит к повышению частоты сенсора. Если проводящая рабочая поверхность приближается к сенсору, электромагнитная связь между ними становится сильнее. В результате изменение частоты сенсора также увеличивается.

Конструкция кнопки

На основе вышеизложенного принципа мы можем сконструировать сочетание металлической пластинки и сенсора, которое может работать как кнопка. Поскольку чувствительность сенсора возрастает с приближением рабочей поверхности, проводящую пластинку следует расположить достаточно близко к сенсору — обычно на расстоянии 10% от диаметра сенсора. На таком близком расстоянии устройство LDC способно надёжно измерять прогиб размером 0,2 мкм. При малых прогибах величина прогиба приблизительно пропорциональна приложенной силе.

Для надёжного интерфейса необходимо контролировать расстояние между сенсором и рабочей поверхностью так, чтобы случайные движения не воспринимались как нажатия кнопки. На рисунке 2 показано, как сенсоры могут крепиться на внутренней поверхности так, чтобы только силы прикосновения вызывали прогиб в направлении сенсора и никакие другие силы не вызывали прогиба в направлении сенсора, который мог бы быть воспринят как нажатие кнопки.

 Конструкция кнопки с металлической рабочей поверхностью и сенсором на печатной плате

Рисунок 2. Конструкция кнопки с металлической рабочей поверхностью и сенсором на печатной плате

Если сенсор выполнен из жёсткого материала печатной платы, такого как FR4, то жёсткая подкладка не нужна.

Механический прогиб

LDC2112/LDC2114 измеряет изменение собственной частоты LC-резонатора сенсора. На рисунке 3 показано изменение частоты в зависимости от прогиба металла на примере гибкого сенсора на печатной плате. Номинальное расстояние между металлической рабочей поверхностью и сенсором составляет 150 мкм. Из графика видно, что изменение частоты происходит приблизительно линейно при малых прогибах металла.

 Смоделированное изменение частоты (PPM)

Рисунок 3. Смоделированное изменение частоты (PPM) в зависимости от прогиба (мкм) примерного сенсора

Чтобы спроектировать систему индуктивных сенсорных кнопок, рекомендуется получить зависимость прогиба от силы, воздействующей на поверхность кнопки. Часто такую зависимость проще найти путём создания механической модели и моделирования её работы. Это нужно для того, чтобы гарантировать, что имеется достаточный прогиб для требуемого порогового значения силы. Вкладка «Metal Deflection» (прогиб металла) в программе расчёта сенсоров «LDC Calculations Tool» обеспечивает оценку прогиба металла для заданных формы и материала кнопки.

Механические факторы, влияющие на чувствительность

Работа кнопки зависит от механических характеристик слоистой конструкции, а также от электрических параметров LC-сенсора. Ниже перечислены наиболее важные механические факторы.

Выбор материала рабочей поверхности

Как указано в разделе «Принцип действия», индуктивная кнопка работает на основе электромагнитной связи между сенсором в виде индуктивного элемента и металлической рабочей поверхностью. Механические и электрические характеристики металлической рабочей поверхности существенно влияют на чувствительность кнопки.

Жёсткость материала

Выбор материала оказывает сильное влияние на то, насколько большое усилие требуется для того, чтобы добиться требуемого прогиба при данной толщине металла. Ключевым параметром материала является модуль Юнга, который служит мерой упругости металла и измеряется в паскалях (Па). Материалы с низким модулем Юнга обычно более гибкие. Например, алюминий (AL6061-T6) имеет модуль Юнга 68,9 ГПа, а нержавеющая сталь (например, SS304) имеет модуль Юнга примерно 200 ГПа, что делает её примерно в 3 раза жёстче алюминия. Разница в зависимости прогиба от силы для данного круглого сенсора из двух разных материалов показана на рисунке 4.

 Зависимость прогиба от силы для круглых кнопок

Рисунок 4. Зависимость прогиба от силы для круглых кнопок с рабочей поверхностью из алюминия и стали диаметром 20 мм и толщиной 0,25 мм

Проводимость материала

Чем выше проводимость материала рабочей поверхности, тем сильнее вихревые токи, наводимые на поверхности. Это усиливает электромагнитное взаимодействие с сенсором. Поэтому проводимость материала должна быть как можно выше, так как это даёт большее изменение индуктивности при данном прогибе рабочей поверхности. SS304 имеет проводимость 1,37×106 См/м, а алюминий имеет ещё большую проводимость — 36,9×106 См/м.

Вообще алюминий — превосходный материал для индуктивного сенсора, потому что он и гибкий, и обеспечивает большое изменение индуктивности индуктивного элемента сенсора. Такие материалы, как SS304, хотя и не настолько оптимальны, как алюминий, также могут быть использованы и обеспечивают надёжные результаты.

Форма кнопки

Индуктивные сенсорные кнопки могут иметь различную форму, например круглую, овальную или прямоугольную. При выборе размеров и формы кнопок важно учитывать величину прогиба, которую можно получить для данного материала, толщину металла, требуемую силу и т. д. В случае круглых кнопок диаметр кнопки определяет её жёсткость или то, насколько большой прогиб может быть получен при одинаковых остальных параметрах. Например, если на круглую алюминиевую кнопку толщиной 0,6 мм воздействует равномерная сила в 1 Н, кнопка диаметром 10 мм будет иметь максимальный прогиб порядка 90 нм, а кнопка диаметром 20 мм будет иметь максимальный прогиб порядка 350 нм. Вкладка «Metal Deflection» (прогиб металла) в программе расчёта сенсоров «LDC Calculations Tool» обеспечивает оценку прогиба металла для заданных формы и материала кнопки. Точный профиль прогиба можно получить с помощью инструментов механического моделирования.

Расстояние между рабочей поверхностью и сенсором

Расстояние между металлической рабочей поверхностью и сенсором на печатной плате играет важное значение с точки зрения как механических, так и электрических аспектов. Когда металлическая рабочая поверхность приближается к индуктивному сенсору, она может сильнее взаимодействовать с электромагнитным полем. Поэтому при одном и том же прогибе (например, 1 мкм) при меньшем номинальном расстоянии величина изменения индуктивности возрастает, что приводит к большему изменению частоты, как показано на рисунке 5. Иными словами, если рабочая поверхность ближе к сенсору, чувствительность системы выше.

 Смоделированное изменение частоты (PPM) при прогибе 1 мкм

Рисунок 5. Смоделированное изменение частоты (PPM) при прогибе 1 мкм в зависимости от расстояния до рабочей поверхности (мм)

Но чтобы обеспечить достаточно свободного места для прогиба и при этом учесть технологические допуски, обычно рекомендуется выбирать номинальное расстояние между рабочей поверхностью и сенсором от 0,1 до 0,2 мм. Это расстояние может быть обеспечено с помощью выемки на той стороне металла, которая обращена к сенсору, в системах, где печатная плата размещается заподлицо с металлом, или с помощью небольшого разделителя между металлом и сенсором на печатной плате с вырезом, позволяющим металлу прогибаться, как показано на рисунке 6.

 Варианты разделителя

Рисунок 6. Варианты разделителя

Обеспечение стабильного расстояния между сенсором и рабочей поверхностью имеет важное значение для эффективной работы сенсорной системы. Если используются разделители, материал должен быть несжимаемым и должен иметь низкий температурный коэффициент, чтобы толщина не менялась со временем или при изменении условий окружающей среды.

Структура слоёв сенсорных кнопок

Структура слоёв кнопки обычно включает в себя проводящую рабочую поверхность, разделитель (между рабочей поверхностью и сенсором), индуктивный сенсор на печатной плате и, возможно, элемент жёсткости (поддерживающий гибкий сенсор на печатной плате). Есть два широко используемых способа реализации этой структуры слоёв, в зависимости от того, является ли поверхность проводящей или нет.

 Пример структуры слоёв при проводящей поверхности

Рисунок 7. Пример структуры слоёв при проводящей поверхности

Проводящая поверхность

Если сенсорная кнопка реализуется на проводящей поверхности, например алюминиевой или из нержавеющей стали, эту поверхность можно использовать в качестве рабочей поверхности для обнаружения нажатия. В такой конфигурации металлическая рабочая поверхность является верхним слоем всей структуры слоев. Пользователь нажимает непосредственно на металлическую рабочую поверхность, вызывая микропрогиб самого металла. Этот прогиб металла вызывает изменение индуктивности индуктивного элемента сенсора.

Непроводящая поверхность

В случае непроводящей поверхности, например стеклянной или пластиковой, тонкий проводящий слой, например слой алюминия или меди, должен быть под этой поверхностью. Когда пользователь нажимает на жёсткую поверхность верхнего слоя структуры, микропрогиб передаётся на проводящий слой, что приближает её к сенсору на печатной плате. Этот альтернативный подход может расширить спектр материалов, применяемых в индуктивных сенсорных кнопках, позволяя использовать поверхности практически из любого материала.

 Пример структуры слоёв при непроводящей поверхности

Рисунок 8. Пример структуры слоёв при непроводящей поверхности

Рекомендации по монтажу сенсора

Вообще индуктивный сенсор должен монтироваться непосредственно к металлической рабочей поверхности, а не к другим смежным элементам конструкции, чтобы не допустить механического движения поддерживающей конструкции, вызывающего нежелательное движение сенсора. Если сенсор монтируется к какой-нибудь другой смежной конструкции, которая может двигаться относительно рабочей поверхности, такое движение может быть ошибочно воспринято как нажатие кнопки.

 Сенсоры

Рисунок 9. Сенсоры, смонтированные на металлической рабочей поверхности (правильно) и на поддерживающей конструкции (неправильно)

Технологии монтажа сенсоров

Индуктивные элементы сенсоров могут быть смонтированы на металлической рабочей поверхности многими способами. Технологии монтажа сенсоров должны обеспечивать устойчивые рабочие характеристики с минимальными взаимными помехами для соседних кнопок. Это предполагает, что любая сила, воздействующая на область вне кнопки, должна вызывать минимальный локальный прогиб металла в месте нахождения кнопки. Чтобы добиться этого, разделитель должен обеспечивать прочное крепление между металлом и индуктивным элементом сенсора. В то же время сенсоры должны быть достаточно технологичны для массового производства с точки зрения стоимости и трудоёмкости их монтажа.

Ниже рассмотрены три разные технологии монтажа, а именно приклеивание, монтаж с использованием пружин и монтаж с использованием пазов.

Приклеивание

Самым простым способом монтажа сенсоров является нанесение клеящего вещества на разделители и приклеивание их к металлической рабочей поверхности. Системы, в которых используется приклеивание, не требуют дополнительных механических деталей и подходят для быстрого изготовления опытных образцов. Недостаток таких систем заключается в том, что процесс приклеивания не отвечает требованию воспроизводимости для массового производства.

На рисунке 10 показаны две кнопки на боковой стороне опытного образца корпуса телефона. Размер индуктивного элемента каждой из кнопок 8×2,7 мм. Внутри корпуса предусмотрено углубление для размещения индуктивных элементов. Это не только уменьшает площадь, занимаемую индуктивными элементами на плате, но и снижает жёсткость металла боковой стенки и повышает чувствительность.

Конструкция приклеиваемого сенсора

Рисунок 10. Конструкция приклеиваемого сенсора

Пружинный монтаж

Другим способом монтажа является использование конструкции на основе пружины для прижатия сенсоров к металлической рабочей поверхности (рисунок 11). Рычажки пружины могут помогать демпфировать нежелательное движение в направлении вертикальной оси, поэтому такая система менее восприимчива к механическим помехам при скручивании. Такую систему легче собрать, чем систему с приклеиванием. Недостаток заключается в том, что если пружина крепится к печатной плате или к днищу корпуса, защемление в месте контакта может создавать помехи в недостаточно жёстком корпусе. Кроме того, конструкция сенсора занимает больше места из-за дополнительных механических деталей.

Конструкция сенсора с пружинным монтажом

Рисунок 11. Конструкция сенсора с пружинным монтажом

Монтаж в пазу

Третий способ монтажа сенсора заключается в том, что индуктивный элемент вставляется в паз (рисунок 12). Перед тем как индуктивный элемент сенсора вставляется в паз, к его сторонам приклеиваются подкладки из пенного наполнителя с эффектом памяти. Этот этап может быть частью технологического процесса изготовления печатной платы. При сдавливании подложки из пенного наполнителя с эффектом памяти становятся тоньше, чем ширина паза, и таким образом сенсор можно легко ввести в паз. После введения в паз подложки из пенного наполнителя восстанавливают свою форму и заполняют весь паз в течение нескольких секунд и служат «разделителем» между рабочей поверхностью и индуктивным элементом. Индуктивный элемент будет располагаться точно в середине паза. Единый корпус сенсоров представляет собой более жёсткую конструкцию по сравнению с предыдущими решениями. Этот подход обеспечивает наивысшую стойкость к нежелательным механическим воздействиям, таким как скручивание или сжатие.

Конструкция сенсора с монтажом в пазу

Рисунок 12. Конструкция сенсора с монтажом в пазу

Можно использовать медную фольгу, чтобы создать «клетку Фарадея» (рисунок 13), чтобы полностью экранировать сенсор в условиях сильных ЭМП, например при беспроводной зарядке.

«Клетка Фарадея»

Рисунок 13. «Клетка Фарадея», экранированная медной фольгой

Механическая изоляция

Если в системе много кнопок, возможно возникновение нежелательного механического взаимодействия между разными кнопками. Устройства LDC2112/LDC2114 имеют встроенные алгоритмы, чтобы подавлять большинство таких взаимных помех. Тем не менее следует руководствоваться правильными принципами конструирования, чтобы свести к минимуму нежелательные взаимодействия между соседними кнопками. Для снижения нежелательных механических взаимодействий между соседними кнопками при активном нажатии необходимо руководствоваться следующими принципами:

  1. Наличие физических опор между кнопками способствует большей деформации металла на кнопке, на которую нажимают.
  2. Необходимо обеспечить больший физический прогиб нужной кнопки. С точки зрения электрических параметров больший прогиб обеспечивает больший сигнал. Использование более тонкого металла или металла с меньшим модулем Юнга способствует деформации поверхности кнопки и уменьшает влияние на соседние кнопки.
  3. Увеличение расстояния или добавление пазов между соседними кнопками улучшает механическую изоляцию. Чтобы свести к минимуму взаимное влияние кнопок друг на друга, расстояние между кнопками должно превышать диаметр индуктивного элемента.

Окончание следует.