薄膜开关原理_结构设计_功能特征_主要类型
第一个薄膜开关于1970年推出,薄膜开关采用基于聚碳酸酯的塑料薄膜设计,这些塑料薄膜用银或铜注入的墨水印刷以形成电子电路。薄膜开关由两个导电层组成,其中包括一个隔离物。
目前,全球薄膜开关市场一直在增长。2015年为42亿美元,预计到2024年将升至130亿美元。这些开关广泛用于医疗、工业和消费品应用,一般寿命是五年时间。
基本概念
用户和机器之间的接口用于允许操作员与机械、设备或仪器进行通信的设备称为薄膜开关。这是一种印刷电子电路,可以通过强制打开和关闭电子电路。
薄膜开关的电路最常使用导电油墨丝网印刷,导电油墨通常用碳或银设计。通过机械和触摸屏的薄膜开关被视为用户界面或HMI(人机界面),它是设备的重要组成部分之一。
结构设计
薄膜开关设计有不同的层,只需用热封膜或压敏粘合剂组装即可。该开关的基本层主要包括图形显示层、图形粘合剂层、电路层、粘合剂隔离器、第二电路层、粘合剂层和金属圆顶。下面讨论每一层及其功能。
- 图形显示层;此开关的图形表示层称为图形叠加层。通常情况下,这些覆盖层是用聚酯设计的,与聚碳酸酯相比,这种材料的灵活性和优异的耐化学性是这种材料的选择。这种开关配置主要取决于设备的功能。该层通常是印刷的硅橡胶或聚酯材料。
- 图形粘合剂层;这是薄膜开关中的第二层,它协助上面的图形表示层到下一个电路层。该层采用聚酯材料设计,两面均含有粘合剂。
- 电路层(PCB层);电路层也称为PCB层,包括薄膜开关电子元件和圆顶特征。电路层位于应用导电开关路径的任何地方,这些路径可以通过丝网印刷和光化学蚀刻等两种主要技术生成。
- 粘合剂隔离器;隔离层将顶部电路层和底部电路层分开,该层可以简单地由两层之间的热稳定聚酯制成。该层包括空腔之间的通道,或者键盘的表面,用于排放空气。这避免了一旦按键,空腔内的空气减少。
- 次级电路层;这是一个可选的次级电路或PCB层,其中包括开关所需的额外电路。该层通常是聚酯印刷和热稳定层,包括介电和导电的银填充油墨。
- 粘合剂层;这是薄膜开关中的最后一层,它是布置在开关背面的粘合片。该层有助于将整个开关封装组装到产品外壳上。
功能特征
薄膜开关的主要特点包括以下几点内容:
- 薄膜开关的表面是完全密封的,因此可以轻松清洁和消毒。
- 没有可以捕获污染物的裂缝。
- 与电容式触摸和橡胶键盘组件等其他键盘相比,这些键盘的成本更低。
- 薄膜开关的纤薄外形在产品设计中保留了足够的空间。
- 很容易与现有控制器连接。
- 图形界面是通用的。
- 更容易防止紫外线辐射。
- 薄膜开关是防水的。
- 可以包含特殊功能,例如触觉反馈和照明选项。
- 图形覆盖丝网印刷或数字化,看起来像各种表面,包括金属、玻璃、石头和木材。
- RFI或EMI屏蔽。
- 显示窗口是有色和透明的。
- 通过PEM安装紧固件,支撑背板像铝和FR4一样坚固。
- 表面处理是UV硬涂层和选择性纹理。
- 背光是光纤和电致发光。
- 触觉和非触觉反馈,包括聚酯或金属圆顶。
- 固定LED。
- 边缘浮雕/枕头图形覆盖。
工作原理
薄膜开关包括不同的层,其中顶层是覆盖层,其中包括用户查看和按下的键。在这个顶部覆盖层下面有两个电路层,它们用导电墨水(如银、石墨或铜)印刷到薄膜状PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)上,以形成与按钮通信的电路。
薄膜开关中的垫片避免了两个电路之间的永久接触,因此它们保持打开状态,直到施加来自触摸否则致动器的力。
结果是,每当用户按下薄膜开关上的按钮时,它就会完成与该键完全一致的印刷电路。通过识别被触发的确切电路,处理单元简单地知道按下了哪个键,然后它会产生一个合适的等效输出信号。
例如,每当操作员按下开关上的“1”键时,只要按下开关,就可以完成印在该按钮下方薄膜上的电路。该印刷电路向处理单元发送一个信号,该处理单元识别出按键“1”被按下,然后触发相应的电路。
应用电路
薄膜开关是一种数字键盘,用于各种工程项目中用于计算目的。这些开关由薄而灵活的材料制成,有4×1、4×3和4×4等不同尺寸可供选择,但所有这些开关的工作方式相似,因此不会影响工作。在这里,小编将简单解释如何将薄膜开关与Arduino UNO连接。
薄膜开关的工作不是很困难。一旦按下开关上的按钮,它就会立即将其中一列短接到行线。所以这只是允许电流在这些行和列之间流动。
例如,如果你按下键1,则第1行和第1列将被短路。同样,如果按下键2,则第1行和第2列将被短路。因此,Arduino微控制器用于扫描那些两行和列线以相应地工作。
接口所需的组件主要包括:Arduino Uno、USB数据线、薄膜开关和跳线。
Arduino Uno的D8到D5引脚连接到薄膜开关的R1到R4引脚,而Arduino Uno的D4到D2引脚连接到薄膜开关的C1到C3。通过使用上面的接口图,需要将薄膜开关与Arduino连接起来。一旦建立连接后,通过Arduino IDE上传Arduino-Uno代码。
按下薄膜开关键后,Arduino板将行和列设置为输入行。之后,它选择行以将行设置为高,接下来,它检查列线。
如果开关中的列连接为低电平,则没有按键被按下。因此,如果是处于高电平,那么Arduino就会识别出该行。因此,它就知道按下了哪个键并将其显示在串行监视器上。
Arduino-Uno代码
接口所需的代码如下所示:
#include “Keypad.h”
const byte ROWS = 4; // number of rows
const byte COLS = 3; // number of columns
char keys[ROWS][COLS] = {
{‘1′,’2′,’3’},
{‘4′,’5′,’6’},
{‘7′,’8′,’9’},
{‘#’,’0′,’*’}
};
byte rowPins[ROWS] = {8, 7, 6, 5}; // row pinouts of the keypad R1 = D8, R2 = D7, R3 = D6, R4 = D5
byte colPins[COLS] = {4, 3, 2}; // column pinouts of the keypad C1 = D4, C2 = D3, C3 = D2
Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);
void setup()
{
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
char key = keypad.getKey();
if (key != NO_KEY)
Serial.println(key);
}
在上面的接口代码中,首先包含了键盘库。之后,它简单地描述了键盘的行数和列数,定义了哪一行连接到Arduino Uno的哪个引脚以及哪一列连接到Arduino Uno的哪个数字引脚。
所以,现在在void设置中,通过提供serial来设置串行监视器。开始函数是,如果按键被按下,程序将在void循环中编写,并将在串行监视器上打印该按键。
主要类型
目前市场上有不同类型的薄膜开关,根据需要选用合适的类型,下面简单依次介绍下。
1、触觉薄膜开关
触觉薄膜开关提供了一种快速动作,在操作此薄膜开关时对人来说是最清晰可见的。这些开关利用多圆顶或金属圆顶通过允许用户识别按键已被按下来向用户的手指提供物理快速反馈响应。
另一种触觉薄膜开关是“液压成型多圆顶”,与金属圆顶相比,它提供温和的触觉反应以及更小幅度的工作温度。
由于薄膜开关的动作行程很短,因此通常必须为用户提供某种类型的可听、可视和触觉反馈。其中,听觉和视觉反馈都必须是电子电路设计中的一个考虑因素,而圆顶可以包含在此开关中以便提供触觉反馈。圆顶有两种类型,即使用不锈钢和聚酯类型,但这两种类型的圆顶在一致性上没有主要区别。
2、非触觉薄膜开关
非触觉薄膜开关是最经济和最可靠的开关,但它们不会向用户提供直接反馈。不过这个缺点现在可以通过使用显示器或 LED指示灯来克服。这些开关的主要好处是它们允许简单地创建活动键盘区域的自定义大小和形状。
3、混合面板薄膜开关
当触觉和非触觉开关组合在一个面板中时,它被称为混合面板薄膜开关。在需要大有源区域来实现精确开关的情况下,需要使用这些开关。另一个主要原因是隐藏了编程和维护开关。
4、PCB背板薄膜开关
这些开关主要用于通过包括各种表面贴装元件来提供结构支持的下部电路,该组件可以由制造商连接到您的印刷电路板,否则可以使用分包商来提供这种结构。
优缺点
薄膜开关的优点包括以下几点内容:
- 防潮和耐候性。
- 低电路和电压要求。
- 触觉反馈。
- 安全可靠。
- 可选择触觉或非触觉。
- 背光和屏蔽性。
- 比较耐用。
薄膜开关的缺点包括以下几点内容:
- 价格相对比较昂贵。
- 设计起来更加紧密和复杂。
主要应用
薄膜开关的应用包括以下几个方面内容:
- 广泛用于工业、家庭或商业等不同应用。
- 这些开关随处可见,例如手机,计算器、烤箱、门禁系统等。
- 用于简单的游戏和控制七段显示器。
总结
薄膜开关是一种HMI(人机界面),采用不同的柔性材料或塑料薄膜层设计。这些紧凑而高效的开关广泛用于工业中的家用设备和设备接口等应用。薄膜开关故障主要是由于覆盖层破裂、圆顶塌陷、粘合剂不兼容、弯曲或弯曲以及按键造成的。