一种非接触式键盘电容传感器制造技术

一种非接触式键盘电容传感器，包括电源电路，电容传感器，电容数字转换电路，控制模块，状态反馈控制电路及指示器，通讯电路；电容传感器包括布置在键位周边外侧的第一电极和布置在键位四周的第二电极以及布置在键位中心的第三电极；任一电极都至少为双键位，而且第三电极比第二电极下沉0.7‑3.6mm；各电极均连接电容数字转换电路；依据检测各电极自电容，确定手指在键盘上的立体位置并由此通过反馈控制电路提供手指指向键位的三态响应并且输入；本申请提供了结构设计合理，分辨率高，有效抵御各种干扰，充分利用电容检测的低成本和成熟的CDC芯片技术，为卫生敏感提供了可以普及推广的商业化非接触输入解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式键盘电容传感器
本申请涉及一种非接触式键盘电容传感器，适用于公共卫生的键盘按钮，特别是考虑卫生敏感下的感应按钮，例如门禁键盘，POS机键盘和ATM机键盘等。
技术介绍
新冠肺炎疫情的出现，加上季节性流感现等情况，对于电梯等的消毒，特别是按钮开关的消毒，面临巨大的工作量，甚至难以实现病毒的消毒处理，为此社会上出现对接近感应按钮的需求，因为直接接触公共区域的按钮开关，例如电梯楼层选择和开关门的按钮，卫生间的冲水开关，公共饮用水开关等容易导致感染传染性疾病，而非接触式的按钮可以避免这样的风险。对于人体的接近，特别是操作电梯按钮的手指的接近，有很多技术方案可以采用，包括摄像头、红外或射频等技术，例如中国201480079328.5号专利；但电容感应是各种感应方案中成本最低的方案。中国专利201480079328公开了一种利用手势控制电梯的技术方案在其说明书中，提到了类似摄像等技术来记录手势，包括预先设置手势，其主要的技术构成是先记录甚至定制手势，把这些手势的数据记录在系统中形成手势库，然后在侦察到一种手势命令后，与手势库进行对比，判断出手势的含义，有点类似目前已经开始普及起来的人脸设别技术；该技术需要的硬件设备多且昂贵，另一方面，使用者的定制也是非常困难的，由于人体手势及动作方式千奇百怪，在准确判断识别和抗干扰这二个矛盾方面，该技术存在相当大的挑战，目前市面上没有出现这个产品也间接说明该技术的难度。申请号201610551225.5，提出带有凹槽的电容式接近按钮，电容式接近按钮设置在凹槽底部，通过阈值设计人手指必须伸进凹槽内才能触发接近按钮，该申请并未披露电容接近按钮的具体电容测量方法，该方案存在存在着使用者的手指伸进凹槽容易触碰凹槽内壁的缺陷，特别是在电梯这种灯光相对昏暗及人员可能拥挤的环境中，同时，手势感应的使用者不太可能保证其动作的手指能够完全受控而不会产生抖动，否则就失去卫生敏感的意义；另外一方面，该专利对于温湿度等环境因素对设定阈值的影响也无法避免。美国专利US7498822公开了一种电容感应人体手指接近的方案，也是采用类似的凹形设计的电容电极，同样存在上述问题，如果设法避免上述问题，按照我们的实验来看，需要让手指与开关壁有2cm以上的距离作为设计基础，那么，凹形电极设置的开关，最少需要5cm的内径设计，使得电梯众多开关按钮的排布成为挑战；另外，该专利披露了单纯模拟电路来测量电容的技术方案，并且还进一步为了消除相互串扰，特意采用等电势的办法和采用差分放大器等，但经过我们反复实验，人体手指对于电梯环境下设计的一个电极在防止无意触碰的安全距离下，所能够产生的电容值变化大体是10ff量级的，单纯模拟电路很难在测量与消除环境影响间取得较好的效果，所需要的器件成本也很高。另外，凹形电极布置的结构将增加悬停按钮结构成型的复杂度，导致加工成本的上升，并影响悬停按钮的美观和今后电梯的清洁消毒工作。美国专利US7498822仅仅采用测量自电容的方法，而排斥互电容的测量方法，没有利用互电容抗干扰能力强的优点，提高悬停按钮的性能，此外，该专利由于没有悬停按钮必须的声光反馈系统，会给操作者造成使用悬停按钮的困惑和不便。现有成熟技术的电容数字转换电路(CDC)，例如DAI7142、ADI7147，采用Δ-∑调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：USPatentNumber：5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，可以将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，容易满足测量系统在安全距离下对电容测量灵敏度的要求，特别是，这些芯片的设计具有多个通道，使得电路设计简单方便，从而有效降低成本和安装难度。相比于摄像头、红外或射频等技术，在检测人体接近方面，电容检测技术具有电路结构简单，成本低廉等特点，但同时也存在着电容变化不大而对检测分辨率的高要求，还有电容检测极容易受到环境的影响。一般而言，电容电极构成的自电容以及电极间构成的互电容，都会受到接近的手指的影响，有效利用这些影响同时考虑自电容测量和互电容测量的不同特性来检测手指接近程度，同步排除身体其它部位、误动作、环境对电极电容测量的影响，目前还不是很容易的。对于采用电容感应人体手指接近的悬停按钮，需要充分考虑使用者的不同感应习惯，同时要防止身体其它部位的感应及清洁工清洁时的动作带来的误触发，做到精确判断，在电梯这样的环境下，是相当困难的，所以，至今没有见到商业化的产品问世。基于这些现有技术存在的问题，我们已经研发出悬停的电容传感器，并且申请了专利，申请号为202010287562.4，产品也进入量产准备阶段。但对于门禁及售卖机，特别是POS和ATM机等大概十几个键位的小键盘，由于每个键位的尺寸很小，甚至其布局都已经固化，在这个小尺寸空间内对每个键位制作能判断手指接近而非接触的单独电极是相当困难的，所以，尽管有电容传感器的成本优势，尽管电容传感器中使用的电容数字转换电路已经相当成熟，但在固化尺寸的小键盘类产品上，目前市场上没有任何非接触的商业应用，而其卫生敏感的要求越来越强烈。中国专利201710893997在显示屏的四周建立四条感应电极来检测手指非接触下的立体定位，尽管采取了加装屏蔽电极及等电位等电子手段，但实际上手指及手指后的手掌对电极的影响，以及人体手指指向动作的角度不同的影响，使得该技术方案无法准确定位手指，无法实现商业上的应用。中国专利201110130539公开了一个USB接口的小型键盘非接触的技术方案，该技术方案中没有披露电容电极是怎么构筑的，仅仅披露采用电容传感器采用飞思卡尔的感应传感器芯片MC34940，该芯片有7个测量电容的通道，显然也无法满足需要输入密码等至少具有十个数字键盘的需求。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的不足，创造一种特别适合非接触键盘按钮的电容传感器，再配合成熟的电容数字转换技术，充分利用了CDC电路对杂散分布电容免疫的特长，采用了自电容和互电容相结合的测量方法，加上三态反馈指示电路，考虑人体手指接近的特点，避免各种不同的干扰，精确判断手指的接近动作来触发按钮，整体成本容易被商业化所接受。本技术创造出一种非接触式键盘电容传感器，包括电源电路，电容传感器，电容数字转换电路，控制模块，状态反馈控制电路及指示器，通讯电路；所述电容传感器包括布置在键位周边外侧的第一电极和布置在键位四周的第二电极以及布置在键位中心的第三电极；所述第一电极包括键位周边外侧上下布置的全键位横向电极、键盘外侧左右布置的至少双键位竖向电极；所述的第二电极包括键盘位置左右的至少双键位竖向电极、键盘上下横向布置的双键位电极，所有第二电极位于同一个平面内；所述的第三电极为与第二电极在高度方向构成0.7-3.6mm的高度差的键盘中心的中心电极；所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；上述各电极均连接电容数字转换电路，所述电容数字转换电路与所述控制模块连接；控制模块连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触式键盘电容传感器，包括电源电路，电容传感器，电容数字转换电路，控制模块，状态反馈控制电路及指示器，通讯电路；其特征在于：/n所述电容传感器包括布置在键位周边外侧的第一电极和布置在键位四周的第二电极以及布置在键位中心的第三电极；/n所述第一电极包括键位周边外侧上下布置的全键位横向电极、键盘外侧左右布置的至少双键位竖向电极；/n所述的第二电极包括键盘位置左右的至少双键位竖向电极、键盘上下横向布置的双键位电极，所有第二电极位于同一个平面内；/n所述的第三电极为与第二电极在高度方向构成0.7-3.6mm的高度差的键盘中心的中心电极；/n所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；/n上述各电极均连接电容数字转换电路，所述电容数字转换电路与所述控制模块连接；控制模块连接状态反馈控制电路及指示器，指示器位于对应的各个键位上；/n所述控制模块/n依据人体手指指向某个键位上方快速触发区域并且超过规定时间而输出该键位按钮的触发信号；/n或者，依据人体手指指向某个键位上部的有效触发区域的驻留时间超过设定时间，和/或人体手指在某个键位上方有效触发区域内虚拟点击动作来输出该键位按钮的触发信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种非接触式键盘电容传感器，包括电源电路，电容传感器，电容数字转换电路，控制模块，状态反馈控制电路及指示器，通讯电路；其特征在于：
所述电容传感器包括布置在键位周边外侧的第一电极和布置在键位四周的第二电极以及布置在键位中心的第三电极；
所述第一电极包括键位周边外侧上下布置的全键位横向电极、键盘外侧左右布置的至少双键位竖向电极；
所述的第二电极包括键盘位置左右的至少双键位竖向电极、键盘上下横向布置的双键位电极，所有第二电极位于同一个平面内；
所述的第三电极为与第二电极在高度方向构成0.7-3.6mm的高度差的键盘中心的中心电极；
所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；
上述各电极均连接电容数字转换电路，所述电容数字转换电路与所述控制模块连接；控制模块连接状态反馈控制电路及指示器，指示器位于对应的各个键位上；
所述控制模块
依据人体手指指向某个键位上方快速触发区域并且超过规定时间而输出该键位按钮的触发信号；
或者，依据人体手指指向某个键位上部的有效触发区域的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙滕谌，张大华，庄玮，
申请(专利权)人：北京他山科技有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11