一种非接触式键盘电容传感器的制作方法

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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型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。

本实用新型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。

更进一步，所述中心电极为占据2＊2结尾的四方或者圆形或者圆环电极。

或者所述中心电极由左右分布或者上下分布的占据至少二个键位的电极构成。

所述第一电极与第二电极处于同一平面。

或者所述第一电极均倾斜安装靠向中心电极上方。

所述第一电极还包括位于下方位置的另外一条全键位电极。

所述第一、第二和第三电极的下方还有一个主动屏蔽电极，主动屏蔽电极的面积不小于第一、第二和第三电极的正投影面积。

本专利的方法是：非接触式键盘的输入方法，由上述的电容传感器组成，随着手指在键盘各键位上方的移动，周期性分时检测所述第一、第二和第三电极的所有电极与手指形成的自电容值；

在横向方向手指所指键位的确定上，依据二个电容值的比值是否小于该键位的横向预值来判断，上述二个电容是作为横向最远的第一电极的电容值和相反侧横向该键位最近的第一电极或者第二电极电容值之比；

在纵向方向手指所指键位的确定上，也依据二个电容值的比值是否小于该键位的纵向预值来判断，上述二个电容是作为纵向最远的第一电极的电容值和相反侧纵向该键位最近的第一电极或者第二电极电容值之比；

对于手指是否进入有效触发区域，依据中心电极的电容比上该键位最接近的第二电极的电容是否小于该键位的高度预值或者中心电极的电容比上该键位本身所在的第二电极电容的比值是否小于高度预值来判断；

如果手指距离第二电极平面的距离比有效触发区域的最小值更接近电极平面，视为用户进入快速触发状态：依据横向和纵向确定的键位，控制器点亮手指所在位置的键位进入预触发状态，继续检测计算各电极的自电容值，延时判断手指是否依然在该位置，如果依然在该位置，点亮确认状态，输出该键位的触发信号；

否则，如果手指进入有效触发区域：依据横向和纵向确定的键位，控制器控制状态反馈控制电路点亮该键位预触发的指示器；一旦手指离开某个键位进入下一个键位，控制器控制状态反馈控制电路关闭所离开键位的预触发的指示器同时点亮手指所进入的下一个键位的指示器；检测计算人体手指指向某个键位上部有效触发区域的驻留时间，判断是否超过设定时间，和/或，检测计算至少手指键位确定横向纵向位置所需要的电极的自电容变化，判断手指在某个键位上出现点击动作，则控制器输出该键位的触发信号。

特别是，本实用新型的电极布置和操作方法，还有以下优点：第一、每个键位都采用了至少双键位电极结构设计，通过将键位电极面积提高至少一倍的方法将垂直方向的灵敏度提高至少一倍，有效的提高了最小安全距离。从根本上避免了手指接触键位而带来的病毒传播的风险；第二、通过计算对应各键位横向和纵向最近相邻第二电极与最远第一或第二电极的比的方法，有效提高了水平方向的空间分辨率，从而大幅降低小键盘相邻键位的误触发率，特别适合现有存量设备的小键盘改造；第三、本实用新型提供的虚拟点击触发方法，不必延时等待达到悬停时间阈值，有效提高了悬停小键盘输入效率；第四、在输入密码时，可以采取快速触发或者悬停触发、虚拟点击触发组合输入的办法，使得安全性大大提高，甚至可以去掉现在为了安全原因装在atm机键盘上的防窥罩，减少由此罩带来的寻找按键的不便；

上述的控制模块可以采用mcu，随着电子技术的不断发展，都出现了电容数字转换电路cdc与控制模块mcu合二为一的芯片，如cypress的psoc4100splus系列等但其功能组成如故。

附图说明

图1-1用虚线显示了中心电极的一个实施例；图1-2用虚线显示了另外一个实施例的中心电极；图1-3和图1-4再显示了圆形和圆环的中心电极方案；图1-5显示了第一电极倾斜设置的方案的示意图；图1-6揭示了在下方总共二条全键位第一电极的另外方案的示意图；

图2为本实用新型对应图1的键位布置图；

图3为本实用新型的手指指向某个键位的输入示意图；

图4为本实用新型的位于键位上方有效触发区域和快速触发区域的示意图；

图5为本实用新型传感器使用后输入键盘数字方法的逻辑框图；

图6为本实用新型的电路原理图。

图7-1是手指在6号键位上方的示意图，图7-2是手指进入6号键位有效触发区域的纵向剖视示意图；图7-3是手指进入6号键位有效触发区域的横向剖视示意图；

图8是手指在键位上方有效触发区域内点击一下所产生的电容变化曲线；

图9是安装主动屏蔽电极的结构示意图；

图10是一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

对于门禁和atm机等的键盘，业界基本固化了结构和尺寸，由于可能涉及密码输入的要求，至少需要0-9这十个数字键，有时候还需要一个确认键，对于银行用的，可能还需要双零″00″的键，所以，一般情况下，需要开发3＊4的12个键位或者4＊4的16个键位，用不了16个的时候，把其中部分键位复合，二个合并成一个，鉴于这个情况，下面以示意图中的16个键位的技术方案进行详细介绍本实用新型的技术特点。

参见图1和图2，就键位的排布，图2显示了16个键位标注了数字1-16，同时在图中也示出了电极对应键位的安排，而电极而言，主要参见图1，本实用新型的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；其中：

所述电容传感器包括布置在键位周边外侧的第一电极a-1/a-2/a-3/a-4/a-5/a-6和布置在键位四周的第二电极a-7/a-8/a-9/a-10/a-11/a-12以及布置在键位中心的第三电极b-1；

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a-1和a-2、键盘外侧左右布置的至少双键位竖向电极a-3/a-4和a-5/a-6；

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a-7/a-8和a-9/a-10、键盘上下横向布置的双键位电极a-11和a-12，所有第二电极位于同一个平面内；

所述的第三电极b-1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；

参见图6的原理图，所述电容数字转换电路cdc本身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a-1至a-12及b-1，分为第一电极1(电极a-1至a-6)第二电极2(电极a-7至a-12)和第三电极3(电极b-1)，均连接电容数字转换电路cdc，所述电容数字转换电路与所述控制模块连接，在业界，控制模块可以采用mcu，随着电子技术的不断发展，都出现了电容数字转换电路cdc与控制模块mcu合二为一的芯片6，如cypress的psoc4100splus系列等但其功能组成如故。

控制模块连接状态反馈控制电路5-3及指示器，指示器位于对应的各个键位上，图中没有表示出指示器，在现有技术下，最好的方案是在键位本身中或者附近安装显示二个状态或者三个状态不同颜色的led灯；

参见图3至图7，所述控制模块mcu

依据人体手指指向某个键位上方快速触发区域2-2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2-1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2-1内虚拟点击动作来输出该键位按钮的触发信号，即把使用者非接触式输入的某个键位通过通讯电路5-2输出给需要控制的设备，例如门禁或者atm机，达到不断输入密码等要求。图4示意性表示出键盘上方感应区域分成了有效触发区域2-1和快速触发区域2-2，所谓的快速触发区域，就是相比于有效触发区域更接近按键表面，甚至接近到不拍病毒传染的风险的程度；而有效触发区域是依据键盘的要求设定的一个离开键盘表面的一个高度范围，例如离开第二电极表面6-35mm的高度层，主要考虑病毒传染风险的排除，使用者能够控制其手指运动的习惯依据电极感应手指动作的分辨率等因素而设定。

参见图1中各个示意图，所述中心电极b-1可以为占据2＊2键位的四方形电极(图1-1)或者圆形(图1-3)或者圆环形(图1-4)电极；所述中心电极b-1也可以由左右分布的二个电极构成，见图1-2，当然中心电极也可以由上下分布的占据至少二个键位的电极构成。

一般情况下，第一电极a-1至a-6与第二电极a-7至a-12处于同一平面上，但为了更好检测位于各键位上方的手指，第一电极a-1至a-6均倾斜安装朝向中心电极上方，见图1-5。

由于这类键盘的尺寸固化或者限制，再考虑电容传感器对于人体手指的分辨率要求，本实用新型除了设置键位外的第一电极以及下沉一定距离的第三电极，还采用至少双键位的电极设置，可以满足分辨率的要求，再考虑手指所在的手掌对电容传感器检测手指位置的影响以及使用者的大体使用习惯，采取了图1这样的键位电极拓扑设置，由于使用者一般伸出手指去非接触键盘各键位，其手掌位于下方，有时候手掌这么远比手指大的人体部位，对于下方的第一电极a-2带来挑战，为此，为了有效检测手掌的影响并且予以消除，在下方的第一电极a-2外再加一条全键位电极c-1(参见图1-6)。

把由第一、第二和第三电极组成的电容传感器安装到所需要的场所时，会碰到所安装的结构件本身是一个巨大的金属壳体，例如需要安全防护的银行的atm机，这个金属壳体的存在会影响电容传感器检测人体手指位置的灵敏度以及可能带来的干扰，为此，本实用新型还可以在上述电极的下方设置一个主动屏蔽电极4，主动屏蔽电极的面积不小于第一、第二和第三电极的正投影面积之和，参见图9，主动屏蔽电极4都接入cdc，cdc周期性分时测量各个极板的自电容，利用cdc内的运算放大器构成电压跟随器，使主动屏蔽电极4与第一电极1，第二电极2，第三电极3所包含的各个极板形成等电位达到主动屏蔽的效果。

对于本实用新型的非接触式键盘的输入方法，基于上面介绍的各种方案的电极构成的电容传感器，随着手指在键盘各键位上方的移动，周期性分时检测所述第一、第二和第三电极的所有电极与手指形成的自电容值；参见图7，当人手指位于6号按键上方并进入6号按键的有效触发区域2-1后，周期性分时扫描到手指进入有效触发区，通过计算第一电极，第二电极，第三电极各个极板的自电容比值后可从阈值表中查找到手指位于键盘中的x、y轴方向的位置。如图7-2，图7-3中手指位于6号键位时，手指与x轴方向(横向)最远的第一电极极a-5形成的自电容c5与反方向最近的第一或者第二电极a-7形成的自电容c7的比值符合阈值表中要求，手指与y轴方向(纵向)最远的第一电容极板a-2形成的自电容c2与反方向最近的第一或者第二电极a-11形成的自电容c11的比值符合阈值表中的要求，从而可确定手指位于键盘的x轴y轴位置即可确定手指位于6号键位上。

所以，本实用新型的建筑的键盘，在横向方向手指所指键位的确定上，依据二个电容值的比值是否小于该键位的横向阈值来判断，上述二个电容是作为横向最远的第一电极的电容值和相反侧横向该键位最近的第一电极或者第二电极电容值之比；

在纵向方向手指所指键位的确定上，也依据二个电容值的比值是否小于该键位的纵向预值来判断，上述二个电容是作为纵向最远的第一电极的电容值和相反侧纵向该键位最近的第一电极或者第二电极电容值之比；

对于手指是否进入有效触发区域，依据中心电极的电容比上该键位最接近的第二电极的电容是否小于该键位的高度预值或者中心电极的电容比上该键位本身所在的第二电极电容的比值是否小于高度预值来判断；

如果手指距离第二电极平面的距离比有效触发区域的最小值更接近电极平面，视为用户进入快速触发区域2-2，需要进入快速触发状态：依据横向和纵向确定的键位，控制器点亮手指所在位置的键位进入预触发状态，继续检测计算各电极的自电容值，延时判断手指是否依然在该位置，如果依然在该位置，点亮确认状态，输出该键位的触发信号；

否则，如果手指进入有效触发区域2-1：依据横向和纵向确定的键位，控制器控制状态反馈控制电路点亮该键位预触发的指示器；一旦手指离开某个键位进入下一个键位，控制器控制状态反馈控制电路关闭所离开键位的预触发的指示器同时点亮手指所进入的下一个键位的指示器；检测计算人体手指指向某个键位上部有效触发区域的驻留时间，判断是否超过设定时间，和/或，检测计算至少手指键位确定横向纵向位置所需要的电极的自电容变化，判断手指在某个键位上出现点击动作，则控制器输出该键位的触发信号，这些依据手指在键盘是x/y/z三维空间的确定后的触发判断，参见图5的流程框图。

图7-2和图7-3中，不但表示出第二电极与第三电极b-1之间的高度差δd，而且高度方向有手指距离第二电极的高度d1，手指距离第三电极的高度d2，有效悬浮区域的最小高度dmin，悬浮区域最大高度dmax，最小安全距离dsaf。在高度方向上，距离dmin以下为快速触发区域，dmax到dmin之间的范围为有效触发区域。

现有技术的cdc除了接入各电极后可以测量该电极的自电容，还可以测量二个电极间形成的互电容，由于互电容相对来说难受环境等因素的干扰，可以很准确测量到手指在键盘上的高度d1，只是其测量范围相对有限，为此，本实用新型还可以在判断人体手指是否进入上述的快速触发区域2-1时，让电容数字转换电路检测中心电极与该键位所在的第二电极间的互电容，用于进行准确判断。

在确定手指在那个键位上方后，触发该键位有三种方案，其一是手指进入快速触发区域而触发，其二是在有效触发区域进行悬停一定的设定时间而触发，一般悬停时间设置在0.5至2秒之间，最佳悬停时间为0.5-1秒；第三种是在有效触发区域手指进行了一次点击动作，即虚拟点击键位而触发。

上述的控制模块连接反馈控制电路，所述反馈控制电路控制指示器呈现无触发、预触发和触发三个状态，这个指示器可以是声音，也可以是键盘上或者键盘各键位周围安置的led指示灯。

非接触键盘可采用如图10倒扣的凹形结构制作，其中键盘面板6-1可采用硬质亚克力或透明pc制作，第一电极1，第二电极2，第三电极3采用ito，pedot等透明导电材料制作成透明按键膜(6-3)并通过其背后的导光板6-5挤压住形成透明键盘模块，通过卡接结构整体卡接到非透明支架5-2上，透明键盘模块通过fpc排线6-3连接至隐藏在非透明支架5-2的控制板6-4上，控制板6-4上布置有led反馈模组6-6，led反馈模组6-6通过点亮熄灭等状态将键盘操作的结果通过导光结构6-5反馈至各个对应键位上。悬浮键盘通过不透明支架6-2固定在现有机械键盘壳体6-8上，透明键盘模块与现有机械按键6-7垂直，以保证透过透明键盘可看到现有机械键盘，即采用现有机械键盘的键位显示作为透明键盘的键位显示。最后将透明键盘的通讯线并入现有机械键盘通讯端口，使现有设备可通过非接触键盘控制。此加装方案既可以不破坏现有机械键盘结构又可利用现有机械键盘的键位作为非接触键盘的键位显示，且安装方便成本低廉适用性强。同样如需完全取代现有机械键盘，只需要非接触键盘面板6-1背面采用透光油墨丝印键位指示图标，并在对应设备壳体6-8上开孔，将非接触键盘沉入设备壳体6-8，通讯线缆直接接入所需控制的设备，其它结构与前面加装方案一致，即可实现。

一般情况下，上述的键位16个可能有富余，那么可以把二个键位复合成一个；对于仅仅12个键位就足够的方案，电极设计还是与图1-1一样，唯一的是把图2中9、10、11、12四个键位空置，即让第三行空置，这样检测第一行第二行第四行更准确。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。