基于人機工程學的光刻機嵌入式控制面板界面設計

蔣 薇，蒲小瓊，陳 軍，趙立新，胡 松

(1．四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065)

(2．中國科學院光電技術(shù)研究所，四川成都 610209)

(3．成都紡織高等專科學校藝術(shù)學院，四川成都 611731)

光刻機是一種典型的微電子設備，集成了光、機、電、算等多個學科領域，主要應用于集成電路、半導體元器件、光電子器件等的研發(fā)和制造［1］。光刻機控制面板所傳遞出的信息能否可靠地被使用者接受并被準確地反饋，直接影響光刻機的工作效率和使用者操作的舒適性。隨著機械化、自動化和電子化的高度發(fā)展，人的因素在生產(chǎn)中的影響越來越大［2］，設計師們也越來越重視人、機、環(huán)境三方的和諧統(tǒng)一，設計適應光刻機使用者思維和行為方式且具有引導功能的光刻機控制面板顯得非常重要。

1 光刻機嵌入式控制面板設計目的

控制面板設計的目的是為了減少使用中人的因素引起的差錯，發(fā)揮人和光刻機各自的優(yōu)點以提高機器的可靠性，提高系統(tǒng)的整體效能。

光刻機嵌入式控制面板的界面設計，需要注意以下3個問題：

a．要保證控制面板向使用者傳達信息的可靠性。

b．要保證控制、操縱系統(tǒng)安全可靠，便于識別和操作，避免誤操作。

c．操作界面要盡量符合使用者的生理、心理需求，減少引起疲勞、干擾操作的因素。

2 光刻機嵌入式控制面板的設計

使用者通過顯示器所顯示的信息，決定自己下一步的操作，再通過控制器操作設備。為了提高光刻機的使用效率、安全系數(shù)以及使用者的舒適性，在設計時貫徹以人為中心的界面設計理念。

2.1 控制面板整體人機設計

光刻機結(jié)構(gòu)復雜，需要在較小的控制面板上集中多個顯示器和控制器。為了便于使用者迅速、準確地認讀和操作，獲得最佳的人機交流信息，就必須恰當?shù)夭贾每刂泼姘濉?/p>

布局設計時，需遵循顯示與控制系統(tǒng)人機界面的設計原則，參照人機工程學中視覺特征的識別規(guī)律合理安排［2］?？刂泼姘迳显季衷O計，應當符合光刻機使用者的思維方式和操作習慣，權(quán)衡各組元器件對設備的重要性，按照功能、操作順序、重要性、使用頻率等對元件進行合理編排。液晶觸控顯示屏對于光刻機來說，是主要的顯示界面和操作界面，故將其放置在面板前方，總機開關(guān)、掩模吸附開關(guān)、真空曝光開關(guān)、工件臺固定開關(guān)等不經(jīng)常使用的元件放置在面板后方。

色彩設計是控制面板設計中的重要一環(huán)，利用色彩提示操作，可以有效緩解使用者的視覺疲勞。嵌入式控制面板色彩的選擇和設計大致包括：面板表面色、燈光信號色、按鍵色彩編碼等。

指導光刻機嵌入式控制面板設計的基本原則有：

a．操作順序原則。

充分考慮顯示與控制的邏輯關(guān)系，合理安排操作元件。光刻機的操作是按一套固定順序操作的，因而操作元件也應按同一順序排列布置，以方便使用者的記憶和操作。排列方向應當與人體活動的自然優(yōu)勢方向一致：橫排時從左到右，豎排時從上到下，環(huán)形排列時按順時針方向排列［3］。

b．功能分區(qū)原則。

按照光刻機控制器的功能關(guān)系安排其位置，將功能相同或相關(guān)的操作元件組合在一起。例如，打開汞燈電源開關(guān)后，要觀察電壓表，當電壓表指針指到5V時，才可以打開控制開關(guān)。故在設計時，需將汞燈電源開關(guān)、電壓表和控制開關(guān)布置在鄰近區(qū)域。

c．使用頻率原則。

將使用頻率高的操作元件布置在使用者的最佳操作區(qū)內(nèi)，可提高工作效率;對于只是偶爾使用的操作元件，可布置在次要區(qū)域。

d．防止誤操作原則。

多個操作元件在同一平面上布置時，要保證適宜的間距。間距太大，會增加使用者不必要的運動量，且未充分利用面板空間;間距太小，極易發(fā)生無意觸動，造成誤操作。例如，操縱器不宜安放在人體胸腹高度的近身水平面上，否則當操作者上身前傾操作時，操縱器容易被肘部無意間誤觸碰。

e．整體布局美觀性原則。

光刻機控制面板的設計不僅要有實質(zhì)的功能性，還應具有良好的美觀性。

2.2 顯示器的人機設計

顯示裝置是控制面板的主要成員之一，使用者通過顯示裝置了解光刻機的工作狀態(tài)，進行相應的操作。由于顯示器的布局決定了使用者接受信息的速度和準確度，所以優(yōu)良的顯示裝置布局是發(fā)揮光刻機效能的必要條件之一。

控制面板上的顯示裝置包括電流表、電壓表、液晶觸控顯示屏、指示燈。其設計要點除了液晶觸控顯示屏軟件的人機界面外主要是顯示裝置的空間布局，合理布置多個顯示器的空間位置，是保證正確高效利用顯示裝置的基礎，設計時一般應考慮以下因素：

a．操作者視區(qū)。

顯示裝置的顯示平面應與人的正常視線盡量接近垂直，以方便讀數(shù)、減少誤讀。根據(jù)人的視野特性，應將重要程度高的顯示裝置如液晶觸控顯示屏放在視野中心3°范圍內(nèi)，一般性顯示裝置如電流表、電壓表放到20°～40°視野范圍內(nèi)，對于80°視野以外的地方，一般不宜放置顯示裝置。

b．視覺特性。

因為人眼水平運動比垂直運動快且幅度寬，所以顯示裝置排列的水平范圍應大于垂直范圍［3］。電流表、電壓表、指示燈的排列順序與方向應符合人眼從左到右、從上到下、順時針方向掃視的習慣，所有顯示裝置的排列順序應與使用者操作順序一致。此外，排列順序還需考慮顯示裝置之間在邏輯上的聯(lián)系。例如，電流表與電壓表空間位置應安排得盡量靠近些，從而提高讀數(shù)效率，降低誤讀率。

2.3 控制器的人機設計

相對于顯示器而言，控制器比較復雜，與使用者的關(guān)系最為密切。顯示裝置向使用者傳達視覺信息，而控制裝置向使用者傳達觸覺、視覺等多方面信息，會影響使用者心理狀態(tài)，并且控制裝置是使用者將信息傳給機器的紐帶，直接影響光刻機的運行。

控制面板上的控制裝置包括電壓開關(guān)、控制開關(guān)、總機開關(guān)、掩模吸附開關(guān)、真空曝光開關(guān)、工件臺固定開關(guān)和液晶觸控顯示屏?？刂破鞯脑O計主要包括控制元件與操作方式類型的選擇、控制元件的空間布局、控制器的宜人性幾方面。

a．控制元件與操作方式類型的選擇。

為了區(qū)分不同功能的控制元件，在控制器設計上常使用編碼設計。常用的編碼方式有形狀編碼、顏色編碼和標識編碼。

形狀編碼是將不同用途的按鍵設計成不同的形狀，以使各按鍵之間不易混淆［3］，便于使用者從外觀上迅速辨認控制元件的功能。控制元件的形狀不宜過分復雜，應能在不需仔細觀察或戴手套的情況下，憑觸覺也能分辨清楚。

利用顏色的差別來區(qū)別控制元件的編碼方式，稱為顏色編碼。選用色彩種類不宜過多，否則會增加分辨難度。常用色彩有紅、橙、黃、藍、綠5種。

利用控制面板上的文字、符號、標志等標識來區(qū)別控制元件的編碼方式，稱為標識編碼。這種編碼用示意性符號對每個控制元件的作用給予直觀指示，不需事先記憶每個控制元件的功能和用途，減少了大腦譯碼的過程，因此效率和準確度都較高。標識放置的位置很重要，不要把標識放在易混淆的位置上。

綜合考慮，本文的設計采用文字、標志和色彩來區(qū)別控制元件。

b．控制元件的空間布局。

光刻機嵌入式控制面板的控制器應優(yōu)先布置在使用者肢體活動自如、能產(chǎn)生較大肌力的范圍內(nèi)。對于多個控制元件，可按照操作順序和功能進行分區(qū)并合理布置［4］，以便于使用者辨別與操作。要保證使用者與控制器間的距離，防止使用時產(chǎn)生誤操作或受其他因素干擾。

c．控制器的宜人性。

控制器在設計時要考慮控制元件本身需要的控制力、控制方向、控制速度與人體施力特性相適應。此外，控制元件的尺寸、形狀應與手的尺寸及生理學、解剖學特征相適應。

通過上述分析，設計出一套光刻機嵌入式控制面板界面，如圖1所示;光刻機嵌入式控制器整體設計如圖2所示。

圖1 光刻機嵌入式控制面板界面設計

3 結(jié)束語

圖2 光刻機嵌入式控制器整體設計

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，光刻機的應用領域也在不斷拓展，產(chǎn)品的更新速度不斷加快，高效、安全、宜人的光刻機才是受歡迎的［5］，為了達到這樣的目標就必須考慮人機交互過程中可能出現(xiàn)的各種情況。運用工業(yè)設計方法和人機工程學等理論設計光刻機嵌入式控制面板，對追求光刻機在使用時人、機、環(huán)境三者的和諧統(tǒng)一，提升光刻機的可靠性，操作的舒適性、準確性、高效性，改善科研工作者的工作環(huán)境，提高工作效率都有積極作用。

［1］ 姚漢民，胡松，邢延文．光學投影曝光微納加工技術(shù)［M］．北京：北京工業(yè)大學出版社，2006．

［2］ 李余峰，薛艷敏，張曉輝．基于人機工程學的電子設備人機界面設計［J］．包裝工程，2011，32(6)：63-66．

［3］ 張峻霞，王新亭．人機工程學與設計應用［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2010．

［4］ 楊志，李太福，邵艷，等．自動化系統(tǒng)中的圖形用戶界面設計［J］．儀器儀表學報，2002，23(3)：880-881．

［5］ 茍秉宸，宋明軒，余隋懷，等．三維數(shù)字化人機設計與評價系統(tǒng)研究［J］．機械科學與技術(shù)，2005，24(10)：1154-1157．