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Vom Sensor zum Human Machine Interface

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.



Ein Touchsensor, wie er heute in vielen Systemen verbaut wird. Bild: Hummel

‚Optical Bonding‘

Hohe Ansprüche an das Optische und die Transparenz des Displays erfordern das ‚optical Bonding‘, die vollflächige, transparente Verklebung zwischen den Komponenten. Jedoch hat das Verfüllen mit Kleber zwischen Display und Touch beziehungsweise Touch und Cover Glas kapazitiven Einfluss, der berücksichtigt werden muss. Das Graphical User Interface (GUI) muss speziell für die Touchbedienung ausgelegt sein. Dessen Gestaltung hat eher geringen Einfluß auf die Systemauslegung, ist allerdings wichtig für eine angenehme Bedienung. Zu kleine Aktionsflächen oder zu schmale Sliderbahnen sind beispielsweise nicht geeignet und machen die Bedienung unangenehm beziehungsweise undefiniert.

Verteilte Kompetenzen

Alle Schwierigkeiten, die aus diesen Fehlerquellen resultieren, können sich verstärken, wenn mehrere Partner bei der Herstellung eines Systems zusammenwirken. Das liegt daran, dass in einer langen Prozesskette die Kernkompetenzen für das HMI-System auf mehrere Parteien verteilt sind. In einer solchen Wertschöpfungskette erreicht die Touch-Einheit oftmals nicht die erforderliche Leistungsfähigkeit, weil der Hersteller des Sensors zu wenig vom System erfährt und damit die Sensor/Controllerfunktionalität nur unzureichend einstellen kann. Anwender setzen daher häufig auf Touchsensoren und Touchcontroller, die im Handel als Standardprodukt verfügbar sind; allerdings sind diese wegen ungeeigneter Firmware oder Parametrisierung für die jeweilige Aufgabe in der Regel nicht geeignet, da die projektspezifischen Eigenheiten nicht angepasst sind.

Die eingeschränkten Tuningmöglichkeiten, das eingeschränkte Produktwissen und eventuell fehlende Tools führen zu einer nicht auf die Applikation abgestimmte Einheit. Änderungen, die während der Entwicklung und Produktion an der Applikation vorgenommen werden, fließen nicht in die Touchkonfiguration ein. Somit können HMIs mit ungenügender Touchperformance entstehen. Dies ist sehr frustrierend, denn damit entsteht der Eindruck, dass PCAP-Touchsyteme für industrielle Anwendungen nicht geeignet sind.

Tauglich für Industrie

Kapazitive Touchsysteme sind für die Industrie aber durchaus tauglich. Eine sehr enge und intensive Kommunikation zwischen den am Prozess Beteiligten kann zu einer in allen Belangen zufriedenstellenden Lösung führen. Klare Absprachen an den Leistungsübergängen und regelmäßiger Informationsaustausch helfen das jeweilige Touchverhalten an verschiedenen Wertschöpfungspunkten zu beurteilen und eventuell zu justieren. Diese Vorsicht gilt nicht nur beim kapazitiven System innerhalb eines HMIs, sondern auch bei anderen Fertigungsschritten, beispielsweise beim optischen Bonden von Touchsensoren. Hier gibt es zwei Welten: Zum einen das Laminieren von PET-Sensoren auf Cover-Gläser, einem vergleichsweise einfachem Prozessschritt, bei dem auf Reinheit, auf die Druckstufen der Rahmenbedruckung und saubere Oberflächen geachtet werden muss.

Obwohl die Verarbeitung eines PET-Sensors zunächst einfacher erscheint, ist das Ergebnis hinsichtlich der optischen Klarheit, der Langlebigkeit, Temperatur- und UV-Stabilität nicht immer optimal. Beim Überkleben des Übergangs vom aktiven Bereich in den bedruckten Randbereich kann es wegen des Höhenunterschiedes nach einiger Zeit zur Bildung von Luftblasen und Ablösungen kommen. Anders ist das beim optischen Bonding, bei dem das Cover-Glas mit dem Touch-Sensor nass und füllend verklebt wird und die zuvor genannten Probleme sich nicht zeigen, wenn der Verklebeprozess entsprechend beherrscht wird. Die ‚richtige Reinheit‘ der Fügepartner ist zwingend erforderlich. Eine entsprechende Reinigung vorab ist unabdingbar, damit die Klebeverbindung eine entsprechend spezifizierte Langlebigkeit hat. Auch dürfen keine Wechselwirkungen zwischen dem verwendeten Kleber und anderen verwendeten Materialien auftreten, beispielsweise bei der Bedruckung oder bei Beschichtungen.

Der Aufbau eines Touchsystems: Gehäuse, Display, PCT-Sensor und Coverglas mit Hinterglasdruck. Bild: Hummel

Robusteres Ergebnis

Obwohl diese Verarbeitung aufwendiger ist, ist das Ergebnis hinsichtlich der Robustheit entscheidend verbessert. Bisher erstreckt sich diese Technik nur auf Glassensoren.Die Verklebung mit PmmA oder PC ist nur projektbezogen durchführbar. Einen weiteren Punkt gilt es zu beachten: Werden die jeweiligen kritischen Prozesse und Technologien bei den beteiligten Partnern und Leistungsgebern beherrscht, bleibt immer noch der Warenübergang zwischen den Partnern als Stolperstein. Oftmals ist die Zuständigkeit unklar und es kommt zu Diskussionen und Aussprachen, die zusätzlichen Aufwand bedeuten. Jeder der Partner muss, um sicher zu gehen, die Ware beim Eingang auf Unversehrtheit und Funktion prüfen und für seinen jeweiligen Fertigungsschritt vorbereiten, zum Beispiel durch Reinigen.

Weiterhin muss die Ware vor der Weitergabe einem Ausgangstest unterzogen werden, damit der Prozessnachfolger den Vorgänger nicht für Mängel verantwortlich machen kann. Der Test von kapazitiven Systemen muss hierzu verstanden und beherrscht sein, diese Aufgabe erfordert spezielles Zusatzwissen. Ansonsten können versteckte und trickreiche Fehlerbilder im Touchsensor nicht erkannt werden, wodurch undefinierter Perfomance-Verlust auftreten kann. Wenn derartige Tests an mehreren Stellen im Fertigungsprozess aufgesetzt werden, ist das zeit- und kostspielig – auch durch den wiederholten Versand von Ware, der mit jedem zusätzlichen Projektpartner und Fertigungsschritt aufwendiger wird und zusätzliche Kosten und Zeitaufwand erfordert.

Verbindliche Kalkulation

Letztlich erschwert die Beteiligung mehrerer Partner auch eine eindeutige und verbindliche Kostenkalkulation, da die Preise der Einzelkomponenten jeweils den Kalkulationsgrundsätzen des jeweiligen Anbieters folgen und eventuell auch Währungsschwankungen berücksichtigen müssen. Einzelkomponenten aus Volumenfertigungen, wie in Asien üblich, machen die Kalkulation mit hohen Mindestabnahmemengen abermals schwierig. Dem Produktdesigner eines Multi-Touch-HMI muss es bewusst sein, dass die verschiedenen nacheinander ablaufenden Entwicklungs- und späteren Fertigungsprozesse direkten Einfluss auf das Funktionsverhalten eines Touch-Systems nehmen. Bedeutend wichtig ist zu wissen, dass die Spezifikation der fertigen Applikation maßgeblich wichtig für den Sensorentwurf ist und dass Vernachlässigungen zum Projektstart später schwer bis gar nicht korrigierbar sind. Häufig erfordert dies ein neues Sensordesign. Ein Multitouch-HMI besitzt einen kapazitiven Fingerabdruck, der sich durch die projektspezifischen Eigenheiten definiert und über die Konfiguration im Touch Controller und dem Aufbau festgehalten wird. Änderungen an diesem kapazitiven Fingerabdruck müssen neu bewertet und in die Controller-Konfiguration aufgenommen beziehungsweise angepasst werden, ansonsten geht möglicherweise entscheidendes Leistungspotenzial verloren.

Zwei Erkenntnisse

Aus den vorherigen Betrachtungen lassen sich zwei Haupterkenntnisse für eine erfolgreiche HMI-Erstellung ableiten. Erstens: Die jeweiligen Prozess- und Fertigungsschritte müssen von allen Beteiligten in Hinsicht kapazitiver Multitouch-Sensorik klar verstanden werden, um ein Höchstmaß an Funktionalität und Bediensicherheit zu schaffen. Vernachlässigungen einer klaren Einordnung der Applikation in der Spezifikationsphase sowie Änderungen während der Produkterstellung oder der Serienproduktion führen zu unzufriedenem Funktionsverhalten oder sogar zum Gesamtausfall der Toucheinheit. Zweitens: Zur Vermeidung von Abstimmungsschwierigkeiten und zur Kostenreduzierung empfiehlt sich die Kooperation mit einem Partner, der eine möglichst große Zahl der erforderlichen Fertigungsschritte unter einem Dach vereint. Eine geringere Anzahl von externen Prozessschnittstellen verringert die Gefahr von Fehlern und damit verbundenen Schuldfragen. Weiterhin kann dies die Kosten und die erforderliche Produktionszeit reduzieren. Für einen passenden Produktionsanlauf kann der ausgesuchte Partner bestenfalls auch kleine Stückzahlen herstellen, wie es die hiesige Industrie erfordert.

Einsatz in vielen Bereichen

Abschließend ist festzustellen, dass PCAP-Touchsysteme bereits in Industrie, Medizin, Transport, Logistik, Point of Sales und vielen weiteren Bereichen ihren Einsatz finden und sich bewähren. Die Herausforderungen der Entwicklung und Herstellung vom PCAP-Sensor bis zum funktionalen Komplettsystem sind beherrschbar, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind und technologisches Know-how vorhanden ist. In Verbindung mit kundenorientierten Angeboten kann so die Akzeptanz und der Einsatz von PCAP-Touchsystemen weiter gefördert werden.