2.4 触控按键设计
科技发展不断推陈出新，触控按键以其美观、可靠、简洁等特性进入了各式各样的电子产品中，受到越来越多的消费者的青睐。在冰箱、燃气罩、电磁炉、音箱等这些家庭消费类产品中，触控按键的应用已十分普遍。但触控按键在设计上有很多难点，误触、失灵等问题时有发生。针对触控按键，通常使用 FR4 硬板来设计，同时要求外观平整、非曲面、ID 不能超出模型范围，但天猫精灵就有所不同。
天猫精灵美妆镜项目周期短，ID 外观有大曲面，触控按键彼此距离近，扬声器腔体小，是天猫精灵第一个采用曲面触摸按键设计的项目。一系列难点摆在面前，按键的触控距离最小能做到多少？单个按键的触控面积要做到多大？触控按键结构如何做？如何测试触控按键？面对这些未知的问题我们没有退缩，为了做出让用户体验极佳的产品，我们一直在努力！
2.4.1 案例详解
案例 美妆镜项目触控按键自动误触MUTE（静音）键
【问题描述】
美妆镜定义了 4 个触控按键，如图 2-25 所示，有加、减亮度键，以及开关和静音键。项目前期硬件评估风险时，ID 已经封版，不可再更改，此时距离量产交付时间不足 5 个月。该产品在 EVT 阶段出现了 MUTE 键在播放音乐时低概率误触，导致音乐暂停的现象。
图2-25 美妆镜触控按键展示图
【问题分析】
出现误触现象，我们最开始怀疑是结构设计问题，因为触控采用 FPC，而 FPC 与外壳接触紧密度会存在一致性问题。
拆机试验后，误触问题仍有发生。于是我们开始从硬件的角度去分析问题。
误触说明系统检测到有触摸的动作，也就是在按键处产品感应到有电容的变化，且变化量超过判定门限。优化前底噪测试图如图 2-26 所示，通过监控软件可以看到按键的底噪最大有 100，而判定触摸的门限设定为 140，余量很小，所以我们怀疑是底噪的问题。
图 2-26 优化前底噪测试图
那该如何解此问题？
思路一：抬高门限，并将底噪的余量拉大，过滤掉误触点。
思路二：降低整体底噪，然后加大余量，避免误触。
在尝试抬高门限时发现，当快速触摸或小面积触摸按键时，按键反应迟钝，客户体验差，于是我们便开始尝试思路二。
通过查看 FPC 走线，对比几个按键后发现 MUTE 键在这几个按键的中间，触摸面积比其他几个键要小，同时走线和 GND 距离触控区域很近。根据电容触控原理和电路基础知识我们了解到，GND 对触控电容的影响较大，于是我们先采用裁剪的方式，把 MUTE 键附近的 GND 和走线减掉，减掉后发现 MUTE 键的底噪神奇地降了一大截，只有 45，而且MUTE 键本身的灵敏度也有很大提升，如图 2-27 所示。
图 2-27 优化后的底噪测试
经分析，底噪偏大的原因是检测焊盘离 GND 过近，于是我们开始修改 FPC，把 MUTE键周围的 GND 拉远后重新打样，经验证，结果良好。PCB 线路优化示意图如图 2-28 所示。
图 2-28 PCB 线路优化示意图
新修改的 FPC 样品回来后，经验证，效果良好，MUTE 键误触的问题解决了。项目交付的时间点有了基本保证，大家都松了一口气。可问题就这样结束了吗？并没有。
由于装配的一致性存在差异，如何保证出货时所有机器触控按键的灵敏度在一个水平，让用户的体验最优？一个更难的问题摆在了面前。
保证一致性，就需要生产时对触控按键的灵敏度做测试，然后做筛查和整改。而这需要触控厂家、生产工厂和阿里天猫精灵研发三方不断沟通。面对困难，电子团队没有退缩，经过 10 天的紧急技术攻关，顺利地在新试产阶段中导入了触控按键的灵敏度测试工序，出厂机器全部测试，保证每一个用户买到的天猫精灵美妆镜的触控手感都是一样的。
【收获】
① 解决问题不能只考虑眼前，要从全局和用户体验出发，保证做到用户第一。
② 第一次导入的新功能时要做到对技术深入研究，从而把握难点，把风险降到最低。
③ 群策群力可以发挥更大的能量，不要单兵作战，提前暴露问题，多部门参与就可高效解决。
2.4.2 技术沉淀
1．触控按键的选型
① 触控按键因为实现的功能简单，如单击、双击或长按等动作，基本采用的都是自容式的芯片。
② 触控按键芯片选择时要首先考虑触控按键的数量，以便选择通道数合理的芯片，避免成本浪费。
③ 因受结构和使用环境等因素影响，触控按键的灵敏度可能需要调整，所以要选择固件可以在线升级的芯片。
④ 触控按键的逻辑控制电路电平要和主控匹配。
2．触摸按键设计要求和注意事项
（1）基本原则
减小 PCB 的基准电容，同时增加手指电容。
建议如下。
① 触控模块单独做成一块 PCB。
② 抑制干扰。
③ 减少触摸 PCB 的基准电容。
为了使基准电容尽量小，我们可以控制基板面积和基板距离。基板面积主要与触摸盘大小、铺地的比例、感应走线长度和宽度有关。基板距离主要与触控盘和外壳的距离有关。触摸按键的形状：尽量选择正方形、长方形、圆形等比较规则的形状。
（2）单个按键
单个按键焊盘设计示意图如图 2-29 所示。
① 顶层铺地形式：可以铺实地或网格地，地需离感应盘 1mm 以上。
② 底层铺地形式：可参考图 2-34。
③ 感应盘尺寸：推荐直径在 10mm 以上。
④ 感应盘间距：多个感应盘之间间距大于 5mm（非中心距）。
（3）复合按键
复合按键焊盘设计示意图如图 2-30 所示。
① 顶层铺地形式：可以铺实地或网格地，地需离感应盘 1mm 以上。
② 底层铺地形式：可参考图 2-34。
③ 感应盘尺寸：推荐直径在 10mm 以上。
④ 感应盘间距：0.5mm 以上。
（4）组合按键——滑条
组合按键焊盘设计示意图如图 2-31 所示。
① 顶层铺地形式：可以铺实地或网格地，地需离感应盘 1.2mm 以上。
② 底层铺地形式：一般禁止铺地。
③ 感应盘尺寸：推荐直径在 10mm 以上。
④ 感应盘间距：滑条之间间距为 1mm。
⑤ 感应盘数量：4 ～ 6 个。
（5）组合按键——滚轮
组合滚轮焊盘设计示意图如图 2-32 所示。
① 顶层铺地形式：可以铺实地或网格地，地需离感应盘 1.2mm 以上。
② 底层铺地形式：一般禁止铺地。
③ 感应盘尺寸：推荐直径在 10mm 以上。
④ 感应盘间距：滑条之间间距在 0.5 ～ 1mm。
⑤ 感应盘数量：一般 6 个以上。若想要定位稳定，则要增加到 12 个左右。
（6）铺地形式及铺地间距
① 双面板。
顶层铺地形式：可以铺实地或网格地，地需离触摸盘 1mm 以上，如图 2-33 所示。底层铺地形式如图 2-34 所示。
一般使用网格地，网格中铜的面积不能超过网格总面积的 30%，网格线宽为 0.25mm，网格大小为 1mm×1mm。
底层不铺地会提高灵敏度，但容易被干扰，所以要确保按键下面没有金属。
建议板厚为 1mm 以上。
② 单面板。
铺地形式：空白处全部铺实铜。
铺地间距：需离感应盘或触摸感应连线 1mm 以上。
其他铺地技巧：不要在信号线附近保留实铜，避免意外的干扰。PCB 铺铜示意图如图 2-35 所示。
图 2-35 PCB 铺铜示意图
（7）布局
① 触摸芯片和触摸盘应放在同一块 PCB 上，在布局空间允许的情况下，应尽量将触摸芯片放置在触摸板中间，使触摸芯片每个通道的引脚到感应盘距离最小。按键和触摸芯片相对位置示意图如图 2-36 所示。
② 稳压电路和滤波电容与芯片放置在同一块 PCB 上，并尽量靠近芯片。
③ 在触摸芯片，触摸盘，触摸感应走线 1cm 之内不能放置大电流器件，比如充电 IC，PMU（Power Management Unit，电源管理单元）等。
④ 触摸盘背面不能放置其他芯片。
图2-36 按键和芯片相对位置示意图
⑤ 感应通道匹配电阻尽量靠近 IC 放置，灵敏度调节电容靠近 IC 放置。
（8）走线
① 基本走线原则：保证走线尽量细、短。
② 感应走线与铺地之间距离在 1mm 以上。
③ 感应走线之间距离保持在 0.75mm 以上。
④ 感应走线尽量避免与其他走线平行，以防止干扰。
⑤ 感应走线 1mm 内不要走其他信号线。
⑥ 当附近有大电流（大于 10mA）时，感应走线应保持在 3mm 以上。
⑦ 感应走线中有强干扰，高频信号时，间距至少为 1cm，并铺地隔开。
⑧ 感应盘到触摸芯片的连线不要跨越强干扰线，不要和其他的强干扰信号线并行，避免干扰和互感。
⑨ 采用单板或弹簧做感应盘时，感应盘到 IC 尽量不走或少走条形线。
⑩ 感应线和感应盘的连接过孔不宜放在感应盘中间，尽量靠近边沿。按键焊盘打孔位置示意图如图 2-37 所示。
图 2-37 按键焊盘打孔位置示意图
⑪感应走线与 I2C/SPI 控制线要尽量隔离开，同层感应线向两个方向走，不相交。不同
感应线层有相交垂直走线。走线方式示意图如图 2-38 所示。
图 2-38 走线方式示意图
（9）装配
① 感应盘应与触摸面板贴近，无缝隙，不能有空气。
② 感应盘上的介质不能有金属（或具有导电介质），否则触摸无法感应或引起误动作。
③ 感应盘的灵敏度与按键感应盘的有效面积有关，面积越大，灵敏度越高；面积越小，灵敏度越低。
④ 感应盘的灵敏度与绝缘面板的厚度有关，同一介质的绝缘面板，厚度越薄，灵敏度越高。
⑤ 感应盘的灵敏度与绝缘面板的材质有关，绝缘面板介电常数越大，灵敏度越高。
2.4.3 小结
通过天猫精灵美妆镜项目实练和经验沉淀，我们更好地了解触控按键设计指导在产品设计前期的作用。它可以避免我们凭空定义或随意设计产品，还可以帮助我们修正结构的设计，从而指导硬件选型和开发，使设计的产品更合理，更符合用户需求，解决用户痛点，实现最佳的用户体验。
