Мембранные клавиатуры: что нужно учесть при проектировании.

Мембранные клавиатуры представляют собой удобный и эффективный способ исполнения элементов управления и индикации. Дешевизна и простота конструкции позволили получить их широкое применение в контрольно-измерительных приборах, приборах медицинского назначения, бытовой электроники и многих других электронных устройствах.

Типовая структура мембранной клавиатуры включает в себя несколько слоев:

• Лицевая часть.
• Слой с электрической схемой.
• Клеевые слои.

Рис. 1. Типовая структура мембранной клавиатуры

Лицевая сторона задает дизайн клавиатуры и обеспечивает графическую идентификацию элементов взаимодействия с устройством.

Для лицевой части используют материалы на базе поликарбонатов или ПЭТ пленки.

В качестве клеевого слоя, как правило, используется клей на базе ПЭТ пленки: 3M 467, 3M 468, 3M 200 MP, 3M 300LSE, 3M 9080A, 3M55280.

Для слоя с электрической схемой существуют три основных варианта исполнения:

1. PET пленка – основание из полиэстера, проводящий рисунок получается путем аддитивного нанесения серебросодержащей пасты. Контактная часть покрывается графитовой пастой. Светодиоды и другие элементы схемы, если необходимо, монтируются с помощью нескольких составов – фиксирующий клей, токопроводящий клей, герметик для защиты мест контактов.

Рис. 2. Пример клавиатуры на PET основании

2. Полиамидное основание – основание для клавиатуры представляет собой гибкую плату.

Подобное исполнение имеет большой диапазон рабочих температур и малое, по сравнению с клавиатурами на основе токопроводящих паст, сопротивление дорожек. Выводной шлейф в данных клавиатурах является продолжением гибкой печатной платы. Этим самым повышается надежность, т.к. отсутствует механическое или паяное соединение.

На стороне установки мембран на гибкую печатную плату имеется возможность пайки сигнальных светодиодов индикации в SMD исполнении.

Токопроводящие дорожки выполнены из меди, за счет этого увеличивается срок службы изделия и общая надежность конструкции.

3. Основание жесткая плата – конструкция данных клавиатур включает в себя жесткое основание в виде печатной платы на базе стеклотекстолита (FR4) с гальваническим покрытием и наклеенной на нее декоративной приборной (лицевой) панели. Клавиатуры могут содержать прозрачные окна под дисплеи и индикаторы, встроенные светодиоды в SMD исполнении. Возможно использование кнопок или тумблеров.

Тактильный эффект достигается либо формовкой декоративной приборной панели, либо использованием мембран.

Рис. 3. Пример клавиатуры на жестком основании

Слой мембран (не всегда используется на плате).

Так как толщины применяемых материалов крайне малы (десятые доли миллиметра), то при нажатии на кнопку не создается никакого сопротивления давлению. Как следствие, оператор не чувствует, что клавиша нажата. Для создания тактильного эффекта в клавиатуру могут быть встроены мембраны (как правило, в виде куполов, выполненных из пластика или металла).

Пластиковая мембрана представляет из себя купол с нанесенной на обратную сторону токопроводящую серебряную краску. При нажатии на купол краска замыкает контакты на проводящем слое.

Рис. 4. Схематическое изображение пластиковой мембраны

Металлическая мембрана представляет собой металлический купол, расположенный над группой контактов. При нажатии на кнопку происходит замыкание элементов проводящего рисунка.

Рис. 5. Схематическое изображение металлической мембраны

Что необходимо учитывать при проектировании / изготовлении мембранных клавиатур

Выбор применяемых материалов и технологий зависит от ряда факторов: области применения устройства, количества нажатий кнопок, условий внешней среды, подключаемой внешней периферии.

Выбор Лицевой части

В качестве материалов для производства лицевой части мембранных клавиатур используется поликарбонат или ПЭТ пленки.

Для наших заказчиков мы рекомендуем использовать материал на базе ПЭТ пленки – Autotex – доступные материалы Autotex V150/F150/V200/F200. Буквы F и V в названии обозначают текстуру материала (F – гладкий, V — рельефный), три цифры – толщина материала (микрометры).

При необходимости заказа лицевой панели на базе другого материала необходимо предварительное согласование, однако, как показывает практика, F200 является универсальным выбором с точки зрения внешнего вида, жесткости и тактильных ощущений.

Преимущества выбора ПЭТ пленок:

• Устойчивость к царапинам и износу.
• Высокая химическая устойчивость.
• Возможно выполнить тиснение на верхнем проводящем слое.

Выбор технологии проводящего слоя

Выбор материала проводящего слоя зависит от механических требований изделия и дизайна проводящего слоя.

«Стандартная» гибкая часть клавиатуры представляет собой слой ПЭТ пленки, в котором токопроводящие дорожки формируются посредством нанесения серебросодержащей пасты, ламели контактов покрываются графитовой пастой. Такой технологией стоит воспользоваться, если клавиатура не имеет каких-либо специализированных требований, имеет простой проводящий рисунок и небольшое количество встроенных компонентов.

Ограничения дизайна на базе ПЭТ пленки:

• Шаг выводов шлейфа не менее 1,0 мм.
• Можно устанавливать только небольшие чип компоненты – диоды, резисторы.
• Встроенные компоненты возможно установить только на токопроводящий клей.
• Предельное напряжение цепи: 30 В.
• Предельный ток цепи: 200 мА.
• Минимальный проводник/зазор – 0,3 / 0,3 мм.

Если к клавиатуре предъявляются повышенные требования, то стоит рассмотреть вариант клавиатуры на гибком основании – FPC keyboard. Проводящий слой в таком исполнении представляет собой гибкую печатную плату, проводящие дорожки формируются при помощи травления. Это что позволит получить некоторые преимущества по сравнению с ПЭТ пленкой:

• Избежание неравномерности нанесения проводников в результате аддитивного процесса.
• Возможность нанесения на контакты шлейфа золотого и серебряного химических покрытий.
• Уменьшение сопротивления проводников — ~10 % от сопротивления серебросодержащей пасты.
• Увеличение максимальной токовой нагрузки ~ 1 А на дорожке 0,5 мм.
• Установка компонентов происходит при помощи пайки – это повышает ресурс использование клавиатуры. Помимо этого, появляется возможность установки микросхем (толщиной до 1 мм).

Ограничения дизайна на базе FPC:

• Шаг выводов шлейфа: не менее 0,5 мм.
• Предельное напряжение цепи: 50 В.
• Предельный ток цепи: 1 А.
• Минимальный проводник/зазор: 0,15 / 0,15 мм.
• Высота устанавливаемых компонентов: не более 1 мм.

Если мембранный переключатель должен иметь определенную степень жесткости, то стоит рассмотреть вариант размещения его на основании жесткой печатной платы.

Преимущества жесткой печатной платы:

• Простота установки.
• Возможность установить большее число компонентов на мембранную клавиатуру.
• Повышение ресурса (количество нажатий) мембранного переключателя.
• Возможность создание многослойного проводящего рисунка.

Ограничения дизайна на базе жесткой ПП:

• Предельное напряжение цепи: 50 В.
• Предельный ток цепи: 2 А.
• Высота устанавливаемых компонентов: не более 1 мм.

Выбор технологии изготовления мембран

Для удобства использования мембранной клавиатуры могут быть использованы мембраны – специализированные прокладки, предназначенные для создания звукового и тактильного эффектов.

Варианты исполнения мембран в клавиатурах:

1. Клавиатуры без мембран. Такие клавиатуры лишены тактильного и звукового эффекта при нажатии.

Подобные клавиатуры могут быть использованы в военной и охотничьей аппаратуре, так как отсутствует звук при нажатии. Максимальный срок жизни переключателя до 1 миллиона нажатий. Отсутствие мембран повышает общую надежность устройства.

2. Тиснение в верхнем графическом слое. Возможно выполнить тиснение в верхнем графическом слое, что повысит тактильность нажатия кнопки без введения дополнительных элементов.

Рис. 6. Примеры исполнения тиснений

3. Металлическая мембрана — представляет собой металлический купол, расположенный над группой контактов. Металлизированный купол может быть различной формы, но для повышения технологичности изделия и ресурса количества нажатий рекомендуем остановиться на круглой или квадратной форме. Наиболее распространенные и рекомендуемые мембраны изображены ниже.

Вид купола	Рекомендуемый размер	Усилие срабатывания
Четыре ноги	6 мм, 8,4 мм, 10 мм, 12 мм, 16 мм, 20 мм	180 г, 200 г, 250 г, 280 г, 300 г, 350 г, 400 г, 450 г, 600 г
Четыре ноги с отверстием
Треугольник
Круглый

Рис. 7. Примеры типовых металлических мембран

Рекомендации по выбору купола:

• Допустимый диапазон размеров купола – 8 ~ 16мм (в случае, если купола расположены близко друг к другу или купол имеет «нестандартную» форму, предельный размер может быть изменен).
• Дистанция от края контура клавиатуры (выреза), встроенного компонента или соседнего купола до кнопки должна быть ≥ 3 мм.

4. Пластиковая мембрана — представляет собой купол с нанесенной на обратную сторону токопроводящей серебряной краской. Такой вид куполов больше предназначен для создания кнопок «нестандартной формы», однако следует иметь в виду, что максимальным ресурсом (количеством нажатий) и надежностью обладают купола круглой и квадратной формы.

Рекомендации по выбору купола:

• Допустимый диапазон размеров купола – 8 ~ 11мм (в случае если купола расположены близко друг к другу или купол имеет «нестандартную» форму – предельный размер может быть изменен).
• Дистанция от края контура клавиатуры (выреза), встроенного компонента или соседнего купола до кнопки должна быть ≥ 2 мм.
• Диапазон допустимых температур: -25 ~ 40 °С.

Для получения консультаций по вопросам проектирования и изготовления мембранных клавиатур обращайтесь к специалистам ИКТ.