1 應用簡報

使用電感式傳感器取代機械開關

長期以來，鍵盤和按鈕應用一直采用機械開關來實現；機械開關通過使電觸頭碰到一起，（有望）建立低阻抗連接。

在臟亂的環境（例如沙礫、油或水）下，可能需要使用特殊的外殼、墊圈或其他接頭，以避免過早失效，進而出現故障，導致過早出現開關故障。雖然可以實現抗污染且穩健的密封型機械開關，但是成本會更高，有時還需要采用特殊的材料，而這會進一步增加成本。

各種開關參數會因為開關的使用和各種環境因素而發生變化，這些變化會導致系統發生故障，或者至少會給系統設計人員帶來額外的負擔，即需要進行監控，并在參數超出可接受范圍時更換開關。

基于觸摸屏的鍵盤還容易因為污垢、油污及其他污物等環境因素、手指臟污或用戶佩戴手套而發生故障。

電感式感應開關 - 概述

基于電感式感應 (LDC) 的按鈕開關基本沒有這些缺點。這類開關穩定可靠，不會因為重復性運動磨損而不可避免地出現與活動零件及觸點磨損相關的故障。它們可以在無開孔的密封鍵盤中輕松實施，不受污染干擾，甚至能夠在水下保持穩定。它們可以采用寬大的外形尺寸（以支持用戶佩戴手套操作）或適合空間受限應用的較小外形尺寸。

一些設備和設計還能支持多級按鈕，另一些擁有內部算法，可管理多種按鈕按壓操作以及外殼和/或鍵盤導致的機械失真，從而無需微控制器即可實現這些功能。

電感式觸摸按鈕可以采用以下三個主要組件來輕松實施：電感式傳感器、目標表面以及電感數字轉換器 (LDC)。傳感器通常可以采用基于 PCB 或柔性電路的線圈來實現。目標表面應該是柔性導電材料，例如厚度足以支持趨膚效應渦流的薄金屬。

圖 1-1 電感式觸控組件

當目標表面受力時，材料會稍稍偏轉，導致電感式傳感器和目標表面之間的距離 (D_TARGET) 縮短。導體發生偏轉會導致傳感器電感值 L(d) 減小，進而導致傳感器諧振頻率增加，而這由 LDC 進行檢測。在目標偏轉示例中，如果目標材料為厚度為 1mm 的 430 不銹鋼，直徑為 20mm 的按鈕將會發生約 0.1μm 的偏轉。當力撤除后，該按鈕表面會恢復其原始形狀。

電感式感應開關 - 靈敏度

影響電感式觸摸按鈕靈敏度的主要因素包括目標材料與厚度、目標距離以及傳感器尺寸。按鈕靈敏度由需施加到目標導電表面，以觸發所需 LDC 響應的力來定義。

目標材料

電導率 (σ) 越高的材料越適合應用電感式感應技術。在目標表面上產生的渦流大小與目標材料的電導率 (σ) 直接相關。電導率較高的材料（例如銅、鋁或銀）是電感式觸摸按鈕的優選目標。可以在塑料等非導電材料上增加薄薄一層導電材料，來為按鈕應用制作有效的目標表面。圖 1-2 通過傳感器移頻（由 LDC 檢測）對目標材料和傳感器頻率（影響趨膚效應）的依賴關系，展示了 LDC 對材料導電性的靈敏度。LDC 目標設計應用手冊提供了額外的詳細信息，而通過基于電子表格的 LDC 檢測設計計算器工具，您可以計算目標電導率和厚度的影響并進行建模。

圖 1-2 目標感應移頻與標稱傳感器頻率之間的關系

對目標表面施加一定的力所產生的偏轉與材料的抗拉強度和厚度成反比。與較厚或剛性較高的材料相比，較薄或剛性較低的材料所需的力較小。借助前文提到的電子表格工具，可以對此進行建模。

目標距離 (D_TARGET) 和傳感器尺寸

如前所述，電感式感應開關依靠的是與電感式傳感器產生的電磁場的相互作用。電磁場線與傳感器直徑成正比，而它們在目標表面上產生的渦流會隨著 D_TARGET 增加而減小。

圖 1-3 展示了開關靈敏度對目標距離的依賴關系，因為它與傳感器直徑有關。如圖所示，當 D_TARGET 位于傳感器線圈直徑的 20% 范圍內時，開關靈敏度最出色。

圖 1-3 顯示了按鈕靈敏度與 D_TARGET 之間的關系。

高分辨率 LDC 中面向按鈕的特性

由于 LDC 具有高分辨率，因此即便是在目標的偏轉或移動很小時，也能夠實現可靠的電感式開關設計。例如，在采用 0.2mm 鋁材料的 3mm x 10mm 小按鈕中，當施加大小 1.5N 的力時，產生的偏轉為 1.9μm。這個相對較小的位移會導致下方 LC 電路的諧振頻率發生 1000ppm 的變化（或者傳感器的電感發生 2000ppm 的變化），而這個變化可由 LDC3114 等器件輕松檢測到。

如前所述，基于 LDC 的開關的主要優勢之一是能夠輕松地密封開關組件，因此它們不受溫度、潮濕、臟污及其他污物的影響。它們還能夠承受掉落或開關外殼凹陷而導致的機械應力。

電感開關隨溫度而發生的變化可以通過 LDC 的基線跟蹤算法來適應，如圖 1-4 所示。總而言之，基線跟蹤可以提供按鈕輸入信號的高通濾波版本。LDC3114 或 LDC2114 通過從用戶交互驅動的輸出代碼（通過 50ms 典型時間跨度）減去輸出代碼的緩慢變化版本（幾秒內的變化）來實現這一點。有關更多信息，請參閱相應的器件數據表或 LDC211x 和 LDC3114 內部算法功能 應用手冊。

圖 1-4 基線跟蹤功能關閉和打開情況下的按鈕按壓響應

通過比較圖 1-4 的曲線圖展示了基線跟蹤功能的影響。頂部曲線圖顯示了因按鈕誤按而導致的數據輸出變化情況（可能是溫度變化導致的）。底部曲線圖（基線跟蹤啟用時）顯示了如何從瞬時輸出數據中減去緩慢變化的輸出代碼跟蹤數據，來防止出現錯誤的按鈕按下操作。

LDC3114 或 LDC2114 基線跟蹤功能可以通過內部寄存器設置來針對正常功耗模式或低功耗模式進行優化。

按鈕靈敏度

LDC 按鈕靈敏度可以通過器件 GAINn 寄存器中的 64 級增益系數進行優化。通過它，可以對各個按鈕進行靈敏度增強，從而確保不同的機械結構之間具有一致的行為。應用所需的增益主要由各個按鈕的機械剛度決定。

按鈕觸發閾值

在變形后恢復到原始狀態時，每種目標材料都會表現出一定的遲滯。遲滯大小取決于材料屬性以及尺寸和厚度等物理參數。此功能會根據不同材料和各種按鈕形狀與尺寸來優化按鈕信號閾值的遲滯。

減少按鈕操作誤檢

LDC3114 具有數字 OUTx 引腳，用于獨立于 I²C 接口來指示按鈕活動，因此在初始設置后，LDC3114 可以獨立于微控制器工作。LDC3114 或 LDC2114 電感式開關無需外部微控制器干預，即可支持減少按鈕操作誤檢和多次按鈕按壓的功能。這些功能的詳細介紹可在 LDC211x 和 LDC3114 內部算法功能 應用手冊中找到，下文提供了功能描述總結：

可以在各個按鈕上實現 Anti-Common 功能來消除誤檢情況，即用戶按下兩個或更多按鈕的中間，進而導致多個按鈕出現共模響應的情況。

Max-Win 功能則讓系統能夠在多個按鈕被同時按下時選擇按下力度最大的按鈕。當兩個按鈕靠得很近時，便可能會發生類似這樣的情形，按下其中一個按鈕會導致另一個按鈕出現殘留反應。可以為各個按鈕分別啟用 Max-Win 功能。

Anti-Twist 算法可減少外殼扭曲時出現誤檢的可能性。外殼扭矩可能導致按鈕出現意外機械激活，或者兩個相鄰按鈕出現相反反應。啟用此算法時，如果根據可配置的閾值得出任何按鈕上的輸出數據為負值，則會抑制對按鈕按壓的檢測。

Anti-Deform 功能會濾除一個或多個按鈕附近金屬變形導致的變化。此類金屬變形可能由按下沒有充分機械隔離的相鄰按鈕而意外導致。

總結和器件建議

通過采用基于電感式傳感器的開關，可以輕松克服環境污染和磨損導致的機械開關故障。如果您的系統會因采用低功耗、低電壓、高分辨率電感式開關而受益，那么 LDC3114 或 LDC2114 會是不錯的選擇。如果您的系統要求使用電壓較高、分辨率較低的開關，那么也可以將 LDC161X 系列器件用作電感式開關。有關更多信息，請參閱電感式感應觸控金屬按鈕設計指南。