薄膜开关设计指南

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薄膜开关是一种通过印刷、切割和层压精密薄膜塑料材料制成的触敏装置。通过在开关前表面施加指尖力,可实现并保持低电压、低电流的瞬时电接触。

薄膜开关主要用于医疗、通信、仪器仪表和家电产品中基于微处理器的控制系统。

薄膜开关技术已成为一种可靠的前面板解决方案,可解决环境问题或频繁清洁的问题。该技术的密封性、可靠性和提供巨大美观灵活性的能力使其成为许多行业的首选解决方案。

薄膜开关类型

无触点薄膜开关
最可靠、最经济的薄膜开关是非触动型。然而,它们不能给用户直接的反馈。使用LED指示灯或显示变化有时可以克服这一缺点。

薄膜开关的类型
非轻触式薄膜开关的优点还在于可以轻松创建自定义形状和尺寸的活动键盘区域。

轻触薄膜开关
轻触式薄膜开关具有操作员可明显察觉的按压动作。导电不锈钢按键具有最佳的动作。它们还无需柔性上层电路。为了方便开关的最终接合,避免圆顶倒置的可能性,可以提供0.015″ – 0.020 “的背层。

与金属圆顶相比,水压成型的聚酯圆顶具有较温和的触感和较窄的工作温度范围。

由于薄膜开关的行程相对较短,通常需要为用户提供某种反馈。反馈可以是视觉的、听觉的或触觉的。视觉或听觉反馈应在电子设计中加以考虑。圆顶可以添加到薄膜开关中,以提供触觉反馈。我们在薄膜开关中使用两种类型的穹顶:不锈钢和聚酯。这两种穹顶技术在可靠性方面没有明显差异。

混合面板
非触觉开关和触觉开关可以混合在同一面板中。当某个开关需要较大的活动区域,或者需要隐藏维护或编程开关时,这种混合面板是可取的。

PCB背板薄膜开关

下部电路可使用印刷电路板。电路板可提供结构支持,并包含大量表面贴装元件。该组件可粘接到您的印刷电路板上,也可利用分包商提供此类结构。

用户界面

图形覆盖
图形覆盖层的外观与操作员对设备的看法密不可分。

几乎可以制作任何颜色。可有效打印的最细线(或线间距)厚度为0.006英寸。最大线网为230 LPI(每英寸线数),用于渐变半色调和流程印刷。

压印可与触觉或非触觉开关一起使用,但单独使用枕式压印不会产生触觉反应。

显示窗口

整体显示窗口和LED指示灯可以很容易地集成到薄膜开关设计中。

单点和块状LED的局限性最小。它们在任何材料的表面处理上都有良好的表现。但是,为了获得更好的扩散效果,最好采用哑光或纹理表面处理。LED不能穿过触动开关的活动区域,尽管从图形上看,它们可以作为开关的一部分。

整体式(表面安装)单点LED可安装在底层下部电路上。可提供多种颜色,包括双色。如果图形层经过压花处理以容纳LED,则可以从与开关相同的连接器尾部提供终端。如果LED端子位于单独的尾部,则图形层无需压花。

可以设计数字窗口,以增强将使用的特定显示屏。如果显示屏没有直接与覆盖层接触,则纹理会扭曲显示屏的外观。哑光和亮光效果最佳。可印刷半透明过滤油墨以改善显示屏外观。

对于液晶显示器,窗口将保持无色。亚光(防眩光)表面处理比光亮(透明)表面处理具有更强的抗划伤能力,但可能会使距离超过0.060英寸的显示屏发生漫反射。

添加红色或烟灰色可改善红色LED显示屏的外观。在光线较暗的条件下使用红色可获得更好的可读性,而在光线较亮的条件下或与其他彩色LED一起使用时则使用烟灰色。

使用绿色或黄色(琥珀色)LED的概念相同。在弱光条件下使用绿色或琥珀黄色滤光片,在较亮条件下使用烟灰色滤光片。

DEADFRONTING(在点亮前隐藏)是一个额外的选项,如果图例是在深色背景下,则可以包括在内。

选择性纹理

选择性纹理是在图形覆盖层的正面丝网印刷一层耐刮伤的表面硬涂层。其目的是提高显示窗口的清晰度或在视觉上突出特定区域。

纹理硬涂层可应用于亮光或防眩光材料。这样可获得最佳的显示窗口。另一种方法是在有纹理的材料上喷涂透明硬涂层。

材料选择
薄膜开关应用中使用了多种覆盖材料。

聚碳酸酯是一种常用的材料,因为它易于印刷、模切和压花–使其成为一种极具成本效益的替代材料。聚碳酸酯的缺点是比某些替代材料更早出现磨损迹象。在大多数应用中,聚碳酸酯覆层材料在生命周期测试中至少可使用100,000次。未涂层的聚碳酸酯还容易受到各种化学品的损害。如果聚碳酸酯覆盖层所处的环境会受到化学品的影响,则应使用硬涂层来保护覆盖层。

聚酯是一种更坚固的材料,具有卓越的使用寿命和耐化学性。在生命周期测试中,聚酯在1,000,000次循环后无磨损迹象。然而,聚酯由于其记忆特性,通常需要液压成型而不是压花成型。液压成型的模具和单位成本都较高。聚酯也更难模切,因此需要更频繁地重新装订钢尺模具。

聚酯和聚碳酸酯都有各种质地和硬涂层。这两种材料在未涂层的光面形式下都非常容易刮伤。因此,我们建议光面材料进行硬涂层。

设备接口

电路设计 – 配置
跟踪布局会影响薄膜开关的可靠性和制造的简易性。因此,在可能的情况下,引脚布局(即轨道从尾部退出的顺序)应留给开关制造商。作为设计准备过程的一部分,制造商可以向您提供最佳的引脚布局。

开关可以通过以下方式连接

共线配置(一条公共总线(接地)连接多个不同的开关。这种方式适用于数量较少的开关,通常更易于设计布局)。
矩阵配置(创建用于连接列和行的X-Y矩阵。相对于连接器所需的开关数量,这种方式大大减少了轨道数量)。
两者的混合。

屏蔽
图形叠层材料具有相对较高的介电强度和较高的体积电阻率。必要时,可以在薄膜开关的结构中加入较高程度的电气屏蔽。根据产品设计的行业不同,要求也有很大差异。

薄膜开关工程图
屏蔽可针对以下情况设计:

ESD(静电放电)
电磁干扰(EMI)
RFI(射频接口)

导电油墨或金属化(包铝)聚酯可用于在图形层下为开关引入额外的屏蔽。

接地可通过单独的尾部或使用与电路相同的连接器来实现。另外,还可制作接地片,用于连接金属底板或支撑板。

排气
开关触点之间存在一个气孔。压下叠片时,必须排出这些空气。通常情况下,开关制造商会在开关之间设计通风轨道,作为间隔层的一部分。这将导致开关完全密封,在正常的大气条件下是完美的。

引脚分配
必要时,客户可以指定开关的原理图或引脚布局;但是,与任何电路布局一样,我们的自由度越大,我们就能生产出更高效的布局。这样做的好处是可以缩短开发时间,简化电路布局,从而影响开关成本。薄膜开关可以设计成公共总线或矩阵。矩阵式布局适用于有许多按键的键盘,以简化互连。

连接器尾部
尾部的位置应仔细规划,因为它会对薄膜开关的设计产生重大影响。轨道与尾部边缘的最小间隙为0.10,每个轨道的最小间隙为0.040。

尾部由电路层形成。因此,尾部出口点和面板边缘之间不能有任何需要电路轨道的特征(如开关或集成LED)。

最简单的出口位置是将尾部从面板边缘直接引出(边缘出口)。如果挡板能遮住面板边缘,这种方法就很有效。同样容易实现的是,尾翼可以从面板周边内侧退出。

如果尾部必须从周边内退出(嵌入式退出),则必须使用尾部填充物来替代缺失的电路层。另外,必要时还可使用水密 NEMA 4 型周边密封件,但需支付额外费用。

可在尾端安装公接头或母接头。裸露的银应该用碳覆盖,以避免银迁移和受潮。

有关薄膜开关尾部最小弯曲半径的更多信息,请参阅我们的博文。

集成LED
表面贴装单点LED可以集成到薄膜开关电路中。但是它们不能安装在有源开关区域内。也可以使用双色LED。

电气性能
由于薄膜开关设计的多样性,很难概括出一套涵盖所有薄膜开关的通用规格。

下面列出了一些基本的性能规格。

回路电阻: 开关的回路电阻是线宽和线长的函数。在大多数应用中,最大回路电阻小于100欧姆。
开路电阻: 最小50兆欧
触点额定值: 28 VDC 时最大 100 毫安
最大负载:标称 1.5 VA
触点弹跳 标称 5 毫秒
工作温度:-20°C 至 +75°C

开口和参数
开关开口(除非有挡板遮挡)应比底盘开口大0.030英寸。切口与活动开关或窗口区域之间至少预留0.062英寸。

通常情况下,薄膜覆盖层应比下面的层稍大一些,凹槽四周应大0.010英寸,以确保合适。

应注意,切口周围的任何边框均不得妨碍图形。

激光切割
薄膜开关的各层可通过数控激光切割出来。这种技术有两个优点。可以保持更严格的机械公差,而且不需要工具。虽然激光切割是一种比模具切割更昂贵的工艺,但在许多中小批量应用中,它的成本效益相当高。

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