Технология индуктивных (или как ещё их называют индукционных) кнопок меняет традиционный интерфейс человек-устройство. Разработчики получают новый подход к проектированию таких элементарных компонентов, как кнопки включения-выключения, устраняя их известные недостатки. Металлические индукционные кнопки дешевы и надежны, устойчивы к влаге и загрязнениям, а также к небольшим деформациям. В них отсутствуют движущиеся компоненты и они прекрасно объединяются с современными решениями полностью герметичных корпусов бытовой электроники.
В обычной практике используются кнопки двух типов: механические и емкостные.
- В кнопках механических используются подвижные контакты для подачи питания, для которых работа движущихся механических частей в долгосрочной перспективе ненадежна и чувствительна к влаге и другим загрязнениям. Эти кнопки не полностью закрыты, что может поставить под угрозу внутреннюю электронику устройства.
- Кнопки емкостные используется часто в портативных устройствах, реагируя на изменения в емкости. Эти кнопки более надежны, гладкие и герметичные. Установленные в незаземленном металлическом корпусе, они показывают зависимость от силы давления. Также они чувствительны к посторонним веществам и влаге на поверхности. Но срабатывание может быть непреднамеренным, вызвано другими предметами, и использование перчаток обычно невозможно при работе с ними. В зависимости от конструкции на их характеристики могут влиять сильные электромагнитные помехи (EMI), а также люминесцентный свет.
Индуктивные кнопки лишены недостатков механических и емкостных. Они бесконтактные и полностью герметичные, а их реализация намного проще. Они намного надежнее, нечувствительны к влаге, жирам и другим загрязнениям. В индуктивной кнопочной технике используется так называемая цифровая обработка индуктивности (LDC).
Вихревые токи, наводимые на поверхности кнопки
Сила давления влияет на чувствительность индуктивных кнопок, что позволяет программировать более сложные функции. Они не зависят от проводимости корпуса и электромагнитных помех благодаря узкой резонансной полосе связи. Их цифровое преобразование индуктивности LDC улучшает работу схем с батареечным питанием, таких как смартфоны и планшеты. Благодаря выборке импульсов и относительно медленному считыванию 10 выборок / секунда, потребление тока питания снизилось до менее 100 мкА.
Плотность вихревых токов, индуцированных переменным магнитным полем
Вид вытравленных контуров кнопок на образцовой алюминиевой панели
Эта новая технология уже используется многочисленными производителями бытовой и автомобильной электроники, переходя с обычных пластиковых кнопок. Их легко адаптировать к панелям многих современных бытовых приборов, сделанных из нержавеющей стали или матового алюминия.
Как делаются индукционные кнопки
На рисунке показано действие набора из двух индукционных кнопок. Металлическая фольга панели изгибается под небольшим давлением и приближается к датчику на плате. Цифровой датчик индуктивности (LDC) обнаруживает это приближение, которое микроконтроллер интерпретирует как нажатие кнопки. В этом методе расстояние до металла измеряется изменением перпендикулярного переменного магнитного поля.
В результате изменения положения проводящей металлической фольги изменяется наведенная в ней напряженность поля вихревых токов. Эта интенсивность зависит от расстояния, размера и материала фольги. В месте прижатия фольги плотность вихревых токов увеличивается, поэтому напряженность создаваемого ими магнитного поля, противоположного переменному полю катушки увеличивается, что приводит к уменьшению его результирующей индуктивности. Микросхема от Texas Instruments LDC1612 измеряет это изменение индуктивности, таким образом обеспечивая точную информацию о положении фольги над катушкой датчика.
Катушка обнаружения размещается под каждым местом датчика на фольге панели корпуса. Легкое давление на эту область создает незаметное отклонение, которое легко обнаруживается схемой LDC высокого разрешения. Она различает изменения индуктивности в наногенри (нГн) и отклонение пленки менее микрометра. Достаточно протравить контур позиционирования на фольге панели на месте кнопки, у которой нет движущихся частей.
Пример схемы индуктивной кнопки
На рисунке показан пример панели из алюминиевой фольги толщиной 0,8 мм. Внешний диаметр вытравленных контуров кнопок – 12 мм. Сразу под фольгой находится датчик со спиральной катушкой на печатной плате, определяющий давление. Расстояние между пленкой и катушкой, не превышающее 20% ее диаметра и минимум 0,2 мм, обеспечивает обнаружение крупного плана размером 1 мкм. Можно использовать прокладку 0,2 мм с вырезом, чтобы фольга не соприкасалась с катушкой.
Печатная плата со спиральной катушкой и сенсорной системой
Далее показаны повторяющиеся выходные сигналы нажатий, излучаемые системой LDC с программно настраиваемым порогом обнаружения. Более сложные алгоритмы могут дополнить работу многокнопочной системы и многоуровневого определения силы давления и устранить нежелательные эффекты значительных изменений температуры, влажности или остаточной деформации пленки. Для управления такими алгоритмами используется микроконтроллер MSP430.
Ход моделирования сигналов от схемы LDC
Таким образом разработчики электронной аппаратуры могут использовать LDC1612 в качестве нового интерфейса человека с устройством, в котором используются надежные индуктивные кнопки. Высокое разрешение и большой динамический диапазон обеспечивают гибкость в механической конструкции и размещении. А алгоритмы и интерфейс легко обрабатываются микроконтроллером MSP430 за короткое время цикла ЦП с минимальным программированием.