تقنية لوحة المفاتيح

يتكون تصميم الغشاء الشائع من ثلاث طبقات. تحتوي الطبقتان العلوية والسفلية على مسارات توصيل كهربائية مكشوفة، بينما تعمل الطبقة الوسطى كفاصل لمنع مرور التيار عبر مسارات التوصيل العلوية والسفلية بشكل سلبي. عند الضغط على الغشاء العلوي، فإنه يربط بين وسادات التوصيل العلوية والسفلية، مما يسمح بانتقال التيار.

من أكثر أنواع لوحات المفاتيح الغشائية شيوعًا لوحات المفاتيح ذات القبة المطاطية كاملة الحركة ولوحات المفاتيح الغشائية ذات اللوحة المسطحة. وتُستخدم لوحات المفاتيح الغشائية ذات اللوحة المسطحة غالبًا في أجهزة مثل أفران الميكروويف وآلات التصوير .

قبة مطاطية فوق الغشاء

تُعدّ لوحات المفاتيح ذات القبة المطاطية كاملة الحركة فوق الغشاء أكثر أنواع لوحات المفاتيح شيوعًا في التصنيع اليوم. في هذه اللوحات، توضع قبة مطاطية فوق الغشاء، مما يضمن محاذاة القباب مع نقاط التلامس. تؤدي القبة المطاطية وظيفتين: فهي تعمل كزنبرك ارتداد لمسي، وتوفر سطحًا ناعمًا لنقل القوة إلى الغشاء العلوي. ولربط نقطتي التلامس، يجب الضغط على القبة المطاطية بالكامل.

أصبحت لوحات المفاتيح ذات القبة المطاطية فوق لوحات المفاتيح الغشائية شائعة جدًا لدى مصنعي أجهزة الكمبيوتر حيث سعوا إلى خفض التكاليف في حين انخفضت أسعار أجهزة الكمبيوتر الشخصية.

مفتاح مقصي

يُعد مفتاح المقص، الذي يعتمد على آلية المقص ، أحد أكثر أنواع مفاتيح القبة المطاطية المدمجة شيوعًا . ونظرًا لمتطلبات تصميم العديد من أجهزة الكمبيوتر المحمولة النحيفة، فإنها تتطلب لوحات مفاتيح منخفضة الارتفاع. لذا، تُعد هذه التقنية الأكثر شيوعًا في أجهزة الكمبيوتر المحمولة. تُثبّت المفاتيح بلوحة المفاتيح بواسطة قطعتين بلاستيكيتين تتشابكان بطريقة تشبه المقص، وتُثبّتان بإحكام على لوحة المفاتيح وغطاء المفتاح. تتميز هذه اللوحات بهدوئها، كما أن مفاتيحها لا تتطلب قوة ضغط كبيرة.

تُعدّ لوحات المفاتيح ذات المفاتيح المقصية أغلى ثمناً بشكل طفيف. وهي أصعب في التنظيف (بسبب محدودية حركة المفاتيح وتعدد نقاط تثبيتها)، ولكنها أيضاً أقل عرضة لتراكم الأوساخ فيها لأن المسافات بين المفاتيح غالباً ما تكون أصغر (إذ لا حاجة لمساحة إضافية تسمح بحركة المفتاح، كما هو الحال عادةً في لوحات المفاتيح الغشائية). ^{[ 1 ]}

غشاء اللوحة المسطحة

تُستخدم لوحات المفاتيح الغشائية ذات اللوحة المسطحة غالبًا في البيئات القاسية حيث يُفضّل مقاومة الماء أو التسرب. تتوفر هذه اللوحات بأنواع مختلفة من المفاتيح: غير اللمسية، واللمسية ذات القبة البلاستيكية، واللمسية ذات القبة المعدنية. تستخدم مفاتيح القبة البلاستيكية مادة البوليستر (PET) لتشكيل قبة بلاستيكية صلبة. عند الضغط على هذه القبة، يتصل الحبر الموصل الموجود على ظهرها بالطبقة السفلية للدائرة الكهربائية. أما مفاتيح القبة المعدنية، فتُصنع من الفولاذ المقاوم للصدأ، وتتميز بمتانة وموثوقية عاليتين، كما يمكن تصميمها حسب الطلب. ^{[ 2 ]} تتميز لوحات المفاتيح الغشائية ذات اللوحة المسطحة غير اللمسية بانخفاض مستوى الإحساس بالضغط على المفاتيح، وغالبًا ما تُصدر صوت تنبيه أو وميضًا ضوئيًا عند الضغط عليها.

على الرغم من أن تصميم لوحة المفاتيح هذا كان شائع الاستخدام في الأيام الأولى للحاسوب الشخصي (على Sinclair ZX80 و ZX81 و Atari 400 )، فقد تم استبدالها بتصميمات أكثر استجابة وحداثة.

لوحة مفاتيح قابلة للطي

يمكن لفّ لوحات مفاتيح الكمبيوتر المصنوعة من السيليكون المرن أو البولي يوريثان على شكل حزمة. يستفيد هذا النوع من لوحات المفاتيح من الأغشية البلاستيكية الرقيقة والمرنة، ولكنه لا يزال عرضة للتلف. وعندما تُغلّف بالكامل بالمطاط، تصبح مقاومة للماء. توفر لوحات المفاتيح الملفوفة استجابة لمسية محدودة نسبيًا. ولأنها تُصنع عادةً من السيليكون، فإنها تميل إلى جذب الأوساخ والغبار والشعر. ^{[ 3 ]}

تستخدم لوحات المفاتيح المزودة بمفاتيح تلامس معدنية عادةً وحدات منفصلة لكل مفتاح. يتكون هذا النوع من المفاتيح عادةً من غلاف، ونابض، ومنزلق، وأحيانًا أجزاء أخرى مثل ورقة لمس منفصلة أو شريط نقر.

في وضع السكون، تكون نقاط التلامس المعدنية داخل المفتاح متباعدة. وعند الضغط على المفتاح، تتقارب نقاط التلامس لتوصيل التيار اللازم لتشغيله. تستخدم العديد من تصميمات المفاتيح الذهب كمادة للتلامس لإطالة عمر المفتاح ومنع تلفه نتيجة الأكسدة. وتعتمد معظم التصميمات على رقاقة معدنية، حيث يكون التلامس المتحرك عبارة عن زنبرك ورقي.

تُعدّ شركة Cherry من كبرى الشركات المصنّعة لمفاتيح التلامس المعدنية المنفصلة ، ​​حيث تُصنّع عائلة مفاتيح Cherry MX منذ ثمانينيات القرن الماضي. وقد قلدت شركات أخرى، مثل Gateron وKailh، نظام Cherry اللوني لتصنيف المفاتيح. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

تُعرف لوحات المفاتيح التي تستخدم هذه التقنية عادةً باسم "لوحات المفاتيح الميكانيكية"، ولكن لا يوجد تعريف واضح ومتفق عليه عالميًا لهذا المصطلح. ^{[ 6 ]}

منذ منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عادت لوحات المفاتيح الميكانيكية إلى الاستخدام من قبل اللاعبين والمحترفين. ^{[ 7 ]}

تتكون وحدة القصب في مفتاح القصب من موصلين معدنيين داخل فقاعة زجاجية، تُغلق عادةً بغاز خامل كالنيتروجين لمنع تراكم الجزيئات. يدفع المنزلق الموجود في الغلاف مغناطيسًا لأسفل أمام كبسولة القصب، فيتسبب المجال المغناطيسي في انجذاب موصلات القصب لبعضها البعض وتلامسها. اخترع دبليو بي إلوود آلية مفتاح القصب لأول مرة عام ١٩٣٦ في مختبرات بيل للهواتف .

على الرغم من أن مفاتيح القصب تستخدم موصلات معدنية ورقية، إلا أنها تعتبر منفصلة عن جميع أشكال مفاتيح التلامس المعدنية الأخرى لأن الموصلات تعمل مغناطيسيًا بدلاً من استخدام القوة المادية من منزلق يتم الضغط عليه معًا.

في آلية السعة الكهربائية، يؤدي الضغط على مفتاح إلى تغيير سعة نمط من وسادات المكثفات. يتكون النمط من وسادتي مكثفات على شكل حرف D لكل مفتاح، مطبوعة على لوحة دوائر مطبوعة ومغطاة بطبقة رقيقة عازلة من قناع اللحام تعمل كعازل كهربائي .

في أكثر تطبيقات هذه التقنية شيوعًا، والتي تعتمد على الرغوة والرقائق المعدنية، ينتهي الجزء المتحرك بعنصر رغوي مسطح بحجم قرص أسبرين تقريبًا ، مغطى برقائق ألومنيوم. يوجد مقابل المفتاح لوحة دوائر مطبوعة (PCB) مزودة بأطراف المكثفات. عند الضغط على المفتاح، تلتصق الرقائق المعدنية بإحكام بسطح لوحة الدوائر المطبوعة، مُشكلةً سلسلة من مكثفين بين أطراف التلامس ، مفصولة بطبقة رقيقة من قناع اللحام، مما يُحدث "قصرًا" بين أطراف التلامس مع انخفاض ملحوظ في المفاعلة السعوية بينهما. عادةً، يسمح هذا باستشعار نبضة أو سلسلة نبضات.

تتمثل إحدى مزايا تقنية السعة في أن المفتاح لا يعتمد على تدفق التيار عبر نقاط التلامس المعدنية للتشغيل، فلا حاجة إلى عملية إزالة الارتداد .

يُوفّر المستشعر معلومات كافية عن مسافة ضغط المفتاح، مما يسمح للمستخدم بضبط نقطة التفعيل (حساسية المفتاح). يُمكن إجراء هذا الضبط باستخدام البرنامج المرفق، وبشكل فردي لكل مفتاح، إن وُجد. ^{[ 10 ]} ومن لوحات المفاتيح التي تستخدم هذه الإمكانيات لوحة Real Force RGB.

لوحة مفاتيح IBM من طراز F هي تصميم يتكون من زنبرك قابل للانحناء فوق لوحة دوائر مطبوعة سعوية، على غرار لوحة مفاتيح طراز M اللاحقة، ولكنها تستخدم بدلاً من ذلك استشعار الغشاء بدلاً من لوحة الدوائر المطبوعة.

يستخدم تصميم شركة توبري للمفاتيح زنبركًا مخروطيًا أسفل قبة مطاطية. توفر القبة المقاومة، بينما يقوم الزنبرك بالعمل السعوي. ^{[ 11 ]}

تستخدم لوحات مفاتيح تأثير هول مستشعرات تأثير هول للكشف عن حركة المغناطيس من خلال فرق الجهد الكهربائي. عند الضغط على مفتاح، يتحرك مغناطيس يتم رصده بواسطة مستشعر الحالة الصلبة. ولأنها لا تتطلب أي تلامس مادي للتشغيل، تتميز لوحات مفاتيح تأثير هول بموثوقية عالية للغاية، حيث يمكنها تحمل ملايين الضغطات قبل أن تتعطل. تُستخدم هذه اللوحات في تطبيقات تتطلب موثوقية فائقة، مثل محطات الطاقة النووية، وقمرات قيادة الطائرات، والبيئات الصناعية الحساسة. ويمكن جعلها مقاومة للماء تمامًا، كما أنها تقاوم كميات كبيرة من الغبار والملوثات. ونظرًا لاحتياجها إلى مغناطيس ومستشعر لكل مفتاح، بالإضافة إلى إلكترونيات تحكم مخصصة، فإن تصنيعها مكلف.

يعمل مفتاح هول عن طريق المجالات المغناطيسية. يحتوي كل مفتاح على مغناطيس صغير مثبت بداخله. عندما يمر التيار الكهربائي عبر الدائرة الرئيسية، فإنه يُحدث تدفقًا مغناطيسيًا. في كل مرة يتم فيها الضغط على مفتاح، تتغير شدة المجال المغناطيسي. تستشعر الدائرة هذا التغيير، وترسل المستشعرات المعلومات إلى اللوحة الأم. ^{[ 12 ]}

تم تقديم تقنية المفتاح البصري في عام 1962 بواسطة هارلي إي. كيلشنر لاستخدامها في آلة كاتبة بهدف تقليل الضوضاء الناتجة عن مفاتيح الآلة الكاتبة.

تستخدم تقنية لوحة المفاتيح الضوئية أجهزة باعثة للضوء ومستشعرات ضوئية للكشف البصري عن المفاتيح المضغوطة، مما يوفر استجابة أسرع ويُغني عن الحاجة إلى التلامس المادي بين الأجزاء المتحركة. عادةً ما تُوضع الباعثات والمستشعرات على المحيط الخارجي للوحة المفاتيح، مثبتةً على لوحة دوائر مطبوعة صغيرة . يُوجَّه الضوء من جانب إلى آخر داخل لوحة المفاتيح، ولا يمكن حجبه إلا بواسطة المفاتيح المضغوطة. تتطلب معظم لوحات المفاتيح الضوئية شعاعين ضوئيين على الأقل (عادةً شعاع رأسي وشعاع أفقي) لتحديد المفتاح المضغوط. تستخدم بعض لوحات المفاتيح الضوئية بنية مفاتيح خاصة تحجب الضوء بنمط معين، مما يسمح بمرور شعاع واحد فقط لكل صف من المفاتيح (عادةً شعاع أفقي).

آلية لوحة المفاتيح الضوئية بسيطة للغاية - يتم إرسال شعاع ضوئي من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال، ويقوم المفتاح الذي يتم تشغيله بحجب الشعاع أو عكسه أو انكساره أو التفاعل معه بطريقة أخرى، مما يؤدي إلى التعرف على المفتاح.

تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لتقنية المفاتيح الضوئية في أنها مقاومة للغاية للرطوبة والغبار والحطام لأنه لا توجد موصلات معدنية يمكن أن تتآكل.

تستخدم لوحة مفاتيح DataHand المتخصصة تقنية بصرية لاستشعار ضغطات المفاتيح باستخدام شعاع ضوئي واحد ومستشعر لكل مفتاح. تُثبّت المفاتيح في وضعها الطبيعي بواسطة مغناطيس ؛ وعندما يتم التغلب على القوة المغناطيسية للضغط على مفتاح، يُفتح المسار البصري ويتم تسجيل ضغطة المفتاح.

جهاز عرض ليزري بحجم فأرة الحاسوب تقريبًا، يُسقط صورة مفاتيح لوحة المفاتيح على سطح مستوٍ، كطاولة أو مكتب. يتميز هذا النوع من لوحات المفاتيح بسهولة حمله واستخدامه مع أجهزة المساعد الرقمي الشخصي والهواتف المحمولة، كما أن العديد من طرازاته مزودة بأسلاك قابلة للسحب وإمكانية الاتصال اللاسلكي. مع ذلك، يُعد هذا التصميم عرضةً للأخطاء، إذ أن أي انقطاع عرضي لليزر قد يُؤدي إلى ضغطات مفاتيح غير مرغوب فيها. كما أن افتقار هذا النوع من لوحات المفاتيح إلى الاستجابة اللمسية يجعلها غير مرغوب فيها في كثير من الأحيان.

تُعزى استجابة النقر المميزة للوحة المفاتيح إلى آلية الزنبرك الانحنائي (براءة الاختراع الأمريكية رقم 4,118,611، والتي انتهت صلاحيتها الآن). تتحكم هذه الآلية بمطرقة صغيرة تضرب مفتاحًا سعويًا أو غشائيًا . ^{[ 13 ]}

كانت سلسلة لوحات مفاتيح IBM من طراز F أول من استخدم مفاتيح زنبركية قابلة للانحناء، والتي اعتمدت على الاستشعار السعوي للتشغيل. لم يُستخدم براءة الاختراع الأصلية في أي لوحة مفاتيح إنتاجية فعلية، لكنها أرست المبدأ الأساسي للزنبرك القابل للانحناء.

تُعدّ لوحة مفاتيح IBM Model M عائلة كبيرة من لوحات مفاتيح الكمبيوتر التي طورتها شركة IBM، والتي بدأ إنتاجها في أواخر عام 1983 عندما حصلت الشركة على براءة اختراع لتصميم مفتاح زنبركي غشائي. وكان الهدف الرئيسي من هذا التصميم هو خفض تكلفة إنتاج لوحة مفاتيح Model F إلى النصف. ^{[ 14 ]} وتُعرف لوحة مفاتيح Model M كاملة الحجم الأكثر شهرة رسميًا باسم لوحة مفاتيح IBM المحسّنة.

في عام 1993، وبعد عامين من تأسيس شركة ليكسمارك ، نقلت شركة آي بي إم عمليات تصنيع لوحات المفاتيح إلى الشركة التابعة لها. واستمرت ليكسمارك في تصنيع لوحات مفاتيح موديل M الجديدة لصالح آي بي إم حتى عام 1996، عندما تأسست شركة يونيكومب واشترت براءات اختراع لوحات المفاتيح ومعدات التصنيع لمواصلة إنتاجها.

استمرت شركة IBM في تصنيع طراز M في مصنعها في اسكتلندا حتى عام 1999. ^{[ 15 ]}

تحتوي معظم لوحات المفاتيح على مفتاح فقط (بدون صمام ثنائي) عند كل تقاطع، مما يتسبب في ظهور "مفاتيح وهمية" و"انحشار المفاتيح" عند الضغط على عدة مفاتيح في وقت واحد ( تداخل الضغطات ). تحتوي بعض لوحات المفاتيح، والتي غالبًا ما تكون أغلى ثمنًا، على صمام ثنائي بين كل تقاطع، مما يسمح لوحدة التحكم الدقيقة في لوحة المفاتيح باستشعار أي عدد من المفاتيح المضغوطة في وقت واحد بدقة، دون توليد مفاتيح وهمية خاطئة. ^{[ 18 ]}

من المعروف أن لوحات مفاتيح البلوتوث غير المشفرة عرضة لسرقة الإشارة لتسجيل ضغطات المفاتيح بواسطة أجهزة بلوتوث أخرى ضمن النطاق. وقد وُثِّقت هذه الثغرة الأمنية في لوحات مفاتيح مايكروسوفت اللاسلكية لعام 2011 وما قبلها. ^{[ 19 ]}

تسجيل ضغطات المفاتيح (يُشار إليه غالبًا باسم "تسجيل المفاتيح") هو أسلوب لالتقاط وتسجيل ضغطات مفاتيح المستخدم. ورغم إمكانية استخدامه قانونيًا لقياس نشاط الموظفين، أو من قِبل وكالات إنفاذ القانون للتحقيق في الأنشطة المشبوهة، إلا أنه يُستخدم أيضًا من قِبل المخترقين لأغراض غير قانونية أو خبيثة. يستخدم المخترقون برامج تسجيل المفاتيح للحصول على كلمات المرور أو مفاتيح التشفير.

يمكن تسجيل ضغطات المفاتيح باستخدام كلٍ من الأجهزة والبرامج. تُوصل أجهزة تسجيل ضغطات المفاتيح بكابل لوحة المفاتيح أو تُثبّت داخل لوحات المفاتيح القياسية. أما برامج تسجيل ضغطات المفاتيح، فتعمل على نظام تشغيل الحاسوب المستهدف، وتحصل على وصول غير مصرح به إلى مكونات الجهاز، أو تتصل بلوحة المفاتيح عبر وظائف يوفرها نظام التشغيل، أو تستخدم برامج الوصول عن بُعد لنقل البيانات المسجلة من الحاسوب المستهدف إلى موقع بعيد. كما يستخدم بعض المخترقين برامج تنصت لاسلكية لتسجيل ضغطات المفاتيح، لجمع حزم البيانات المنقولة بين لوحة المفاتيح اللاسلكية وجهاز الاستقبال الخاص بها، ثم يقومون بفك تشفير مفتاح التشفير المستخدم لتأمين الاتصالات اللاسلكية بين الجهازين.

تستطيع تطبيقات مكافحة التجسس اكتشاف العديد من برامج تسجيل ضغطات المفاتيح وإزالتها. يدعم مُورّدو برامج المراقبة الموثوقون خاصية الكشف بواسطة برامج مكافحة التجسس، مما يمنع إساءة استخدام هذه البرامج. لا يُوقف تفعيل جدار الحماية برامج تسجيل ضغطات المفاتيح بشكل كامل، ولكنه قد يمنع نقل البيانات المُسجّلة عبر الشبكة إذا تم تكوينه بشكل صحيح. يمكن استخدام برامج مراقبة الشبكة (المعروفة أيضًا بجدران الحماية العكسية) لتنبيه المستخدم عند محاولة أي تطبيق الاتصال بالشبكة. يتيح هذا للمستخدم فرصة منع برنامج تسجيل ضغطات المفاتيح من إرسال معلوماته المكتوبة إلى خادمه. يمكن لبرامج ملء النماذج التلقائية منع تسجيل ضغطات المفاتيح تمامًا من خلال عدم استخدام لوحة المفاتيح على الإطلاق. يمكن خداع معظم برامج تسجيل ضغطات المفاتيح عن طريق التناوب بين كتابة بيانات تسجيل الدخول وكتابة أحرف في مكان آخر ضمن نافذة التركيز. ^{[ 20 ]}

من المعروف أيضًا أن لوحات المفاتيح تُصدر بصمات كهرومغناطيسية يمكن رصدها باستخدام أجهزة تجسس خاصة لإعادة بناء المفاتيح المضغوطة. وكشف نيل أوفاريل، المدير التنفيذي لمجلس مكافحة سرقة الهوية، لمجلة InformationWeek قائلاً: "قبل أكثر من 25 عامًا، أراني اثنان من عملاء المخابرات السابقين كيف يمكنهما سرقة الرقم السري لبطاقة الصراف الآلي من شاحنة متوقفة على الجانب الآخر من الشارع، وذلك ببساطة عن طريق التقاط وفك تشفير الإشارات الكهرومغناطيسية الناتجة عن كل ضغطة مفتاح". وأضاف أوفاريل: "بل كان بإمكانهم حتى التقاط ضغطات المفاتيح من أجهزة الكمبيوتر في المكاتب المجاورة، لكن التكنولوجيا لم تكن متطورة بما يكفي للتركيز على أي جهاز كمبيوتر محدد". ^{[ 21 ]}

قد يُسبب استخدام لوحة المفاتيح إصابات خطيرة (مثل متلازمة النفق الرسغي أو غيرها من إصابات الإجهاد المتكرر ) في اليدين أو الرسغين أو الذراعين أو الرقبة أو الظهر. ^{[ 22 ]} يمكن تقليل مخاطر الإصابات بأخذ فترات راحة قصيرة متكررة للنهوض والمشي قليلاً مرتين كل ساعة. كما ينبغي على المستخدمين تنويع المهام على مدار اليوم لتجنب إجهاد اليدين والرسغين. عند الكتابة على لوحة المفاتيح، يجب إبقاء الكتفين مسترخيين مع وضع المرفقين بجانب الجسم، مع وضع لوحة المفاتيح والماوس في وضع لا يتطلب مدّ اليدين. يجب ضبط ارتفاع الكرسي وحامل لوحة المفاتيح بحيث يكون الرسغان مستقيمين، ويجب عدم إسناد الرسغين على حواف الطاولة الحادة. ^{[ 23 ]} لا ينبغي استخدام مساند الرسغ أو راحة اليد أثناء الكتابة. ^{[ 24 ]}

يمكن لبعض التقنيات المساعدة ، بدءًا من لوحات المفاتيح الخاصة وبدائل الفأرة وواجهات الرسم الرقمي وصولًا إلى برامج التعرف على الكلام، أن تقلل من خطر الإصابة. كما تُذكّر برامج الإيقاف المؤقت المستخدم بضرورة التوقف بشكل متكرر. وقد يُخفف استخدام فأرة أكثر راحة، مثل الفأرة العمودية أو فأرة عصا التحكم، من الألم.

باستخدام لوحة اللمس أو قلم اللمس مع لوحة الرسم ، بدلاً من الفأرة، يمكن تقليل الإجهاد المتكرر على الذراعين واليدين. ^{[ 25 ]}