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Kapazitive Eingabegeräte

Vom Sensor zum Human Machine Interface

Die Funktionalität kapazitiver Touch-Eingabesysteme hängt von der sensiblen Abstimmung der im System verbauten Komponenten ab. Im Entwicklungsprozess ist daher zu beachten, dass insbesondere das Zusammenführen der Komponenten aus verschiedenen Quellen und unklar definierte Verantwortungen in der Prozesskette Schwierigkeiten bereithalten können. Einen Ansatz zur Vermeidung des Problems bietet die Hummel AG.

Bild: Hummel

Die Eingabe mittels kapazitiver Systeme für die Steuerung von Human Machine Interfaces (HMI) ist in weiten Bereichen vom Markt längst akzeptiert. Neue Technologien ermöglichen es, anwenderfreundliche und zuverlässige Projected Capacitive-Touchsysteme (PCAP) auch für industrielle Anwendungen herzustellen. Doch zuvor gilt es mögliche Fehlerquellen zu bedenken. Ein kapazitiver Touchscreen, bestehend aus Sensor und der Auswerteelektronik, interagiert permanent mit seinem kapazitiven Umfeld. Somit werden neben der gewünschten Information einer Berührung noch andere Störsignale detektiert.

Diese können Fehlauslösungen verursachen oder aufgrund der Störungen die eigentliche Berührung nicht mehr erkennen lassen. Bei der Messung eines kapazitiven Sensors gilt es immer das schwache Signal, das durch den Finger oder Stylus generiert wird, vor dem Rauschen des Systems und anderer dynamischen Störer aus dem Umfeld zu unterscheiden. Je nach Verfahren wird die Kapazitätsänderung inklusive der vorhandenen Störung ermittelt und das Messergebnis ist nicht mehr eindeutig als Touchvorgang auszuwerten.

Statische Einflüsse

Nicht nur dynamische Störungen haben Einfluss auf das Auswerteergebnis, sondern auch statische Einflüsse wie metallische Gegenstände, Leitungen, LCD-Rahmen oder auch die gläserne Touchfront erhöhen die parasitäre Kapazität. Das bedämpft die Messung und das gewonnene Messergebnis erscheint gering. Sinkt der Signal-Rausch-Abstand zu stark, kann es zu Fehlauslösungen oder Nicht-Erkennungen kommen. Ist dem Designer die Funktionsweise der Auswerteelektronik nicht ausreichend bekannt und ist unklar, wie der Pfad der Ladungsverschiebung innerhalb des Sensors und des Systems abläuft, kann das Problem nur schwer nachvollzogen werden. Insbesondere bei leitungsgebundenen Störungen kann nun ein Fehler auftreten.

Neben den genannten Ursachen für die Bedämpfung gibt es noch weitere, die meist nicht berücksichtigt werden: Farbsysteme auf dem Touchglas aufgebracht, Klebeverbindungen zu Rahmen oder Trägersystemen, das optische Bonding von Touchglas und Glassensor, Feuchtigkeit aufnehmende Kapillaren oder auch schiefe und verzogene Einzelkomponenten. Die meisten dieser Ursachen haben direkten Einfluss auf die Zuleitungen, die außerhalb des sichtbaren Bereichs die Elektroden des Sensors mit der Auswertelektronik verbinden.

Vom Ende her auslegen

Es ist sinnvoll die Auslegung des HMI vom fertigen Produkt aus zu wählen und die festgelegte Spezifikation auf die Einzelkomponenten zu übertragen. Einfach umzusetzen ist das bei der Größe und Bildschirmdiagonale, wobei schon hier der Randbereich des Sensors entscheidend mit einfließt und in der Planung des erforderlichen Platzes berücksichtigt werden sollte. Aufwendiger und technisch herausfordernder sind die Festlegungen, die in direkter Interaktion mit dem Touchverhalten stehen. Dazu gehören das optische Bonding zum Cover Glas und zum LCD, die Stärke des Coverglases, Position und Material des Trägersystems, der Abstand zwischen Touch und LCD et cetera. Auch die gewünschte Umweltspezifikation fließt in die Systemauslegung mit ein, wie Temperaturbereich, Schock, Vibration, Schlagfestigkeit und nicht zuletzt die Funktion im Zusammenhang mit Feuchtigkeit oder Wasser.

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