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Worauf beim Design-In eines kapazitiven Bedieninterfaces zu achten ist

| Autor / Redakteur: Jens Kieselbach * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Kapazitive Toucheingabe oder doch ein mechanischer Schalter? Damit ein Bedieninterface relativ dauerhaft funktioniert, sollten sich Entwickler beim Design sehr genau Gedanken machen.

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Die kapazitive Toucheingabe muss auch unter rauen Bedingungen funktionieren. Auf einem Teststand für kapazitive Einzeltaster wird die Funktion bei Betauung getestet.
Die kapazitive Toucheingabe muss auch unter rauen Bedingungen funktionieren. Auf einem Teststand für kapazitive Einzeltaster wird die Funktion bei Betauung getestet.
(Bild: Gett)

Touchscreens und andere Bedieninterfaces auf kapazitiver Wirkbasis sind längst kein Zukunftsthema. Sie sind State of the Art, haben sich etabliert. Über allem steht jedoch die Implementierung kapazitiver Bedientechnik in die Smartphones der Neuzeit, die milliardenfach sicher und relativ dauerhaft funktionieren. Die Bandbreite von kapazitiven Bedienkomponenten reicht vom Einzelsensor über Tasten- und Tastatursensorfelder bis hin zu Flächensensoren, die als projiziert-kapazitive Touchscreens realisiert werden.

In den letzten Jahren haben sich zahlreiche Varianten kapazitiver Sensoren von Frontgläsern und -materialien und von Fertigungstechniken herausgebildet. Besonders Touchcontroller der aktuellen Generation haben die Leistungsfähigkeit kapazitiver Bediensysteme deutlich erhöht. Der gemeinsame Nenner bleiben das Wirkprinzip und die Funktionsweise, was allgemeine verbindliche Ableitungen zum Design-In zulässt.

Einbau einer kapazitiven Komponente

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Die vermeintlich stabile und robuste Funktionsweise kapazitiver Bedieninterfaces befördert die noch immer weit verbreitete Annahme einer einfachen Integration in Geräte und Systeme. Dass dem nicht so ist, zeigen nahezu alle Entwicklungsstories von Geräten, in die kapazitive Komponenten verbaut wurden.

Der Weg vom Konzept zum funktionsstabilen Endgerät bzw. -system gleicht einem Lernen-durch-Schmerz-Prozess, der häufig auch nach Release und Installation im Feld nicht beendet ist. Stellvertretend sei der harte, verlustreiche Entwicklungsprozess der ersten Touch-Interfaces bei Smartphones genannt. Das souverän funktionierende und geschmeidig in der Hand liegende Smartphone darf als positives Ergebnis zahlloser Negativerfahrungen betrachtet werden.

Worauf es bei der Planungsphase eines Touchscreens ankommt

Ein 360°-Screening des Bedienumfeldes ist absolute Grundvoraussetzung vor der Planungsphase. Temperaturen, physische Immissionen wie Feuchtigkeit oder Staub, elektromagnetische Störquellen (EMV), Lichtverhältnisse, Exposition des Gesamtsystems (öffentlich oder privat) und vor allem der vorgesehene Einsatzzweck des Gerätes stehen im Mittelpunkt.

Kapazitive Bauteile reagieren empfindlich auf die Störeinstrahlung aller Elemente, die eine ungewollte elektrische Änderung des Felds bewirken (HF-Einkopplung). Daher müssen im Gerätekonzept alle naheliegenden elektronischen Bauteile und Materialien nach deren Störein- und Störausstrahlung identifiziert und bewertet werden.

Auf die Schirmung achtgeben

Vor allem das USB/I²C-Kabel, das Flachbandkabel und der Touchcontroller sollten in der Regel von Modulen entfernt eingebaut oder abgeschirmt werden, die hohe Spannungen, hohe Ströme oder Hochfrequenzen aufweisen. Grundsätzlich ist es angeraten, das Masse- und Erdungssystem bezüglich Touchscreen, Controller, Display und Gehäuse tiefgehend zu prüfen. Keinesfalls dürfen sich potentialfreie Elemente in unmittelbarer Nähe befinden.

In der Praxis erweisen sich sogenannte Mutual-Capacitive-Sensoren (Sensoren mit einer Matrixverschaltung wie projiziert-kapazitive (P-Cap) Flächensensoren oder Tastenfelder mit verschalteter Tastenmatrix) robuster gegen Störungen als Self-Capacitive-Sensoren (Einzelsensoren als Einzelektrode). Dennoch ist es bei beiden Varianten wichtig, einen Sicherheitsabstand zu benachbarten leitenden Materialien einzuhalten. Das trifft vor allem auf Metallrahmen zu, die das am häufigsten eingesetzte Frontträgermaterial sind. Der Mindestabstand sollte dabei mindestens über die Feldausbreitung der jeweils äußersten Elektrode hinausreichen.

Kritische Einflussgrößen auf ein Bediensystem

Tabelle 1: Typische kritische Einflussgrößen auf Bediensysteme, die auf kapazitiver Wirkweise basieren.
Tabelle 1: Typische kritische Einflussgrößen auf Bediensysteme, die auf kapazitiver Wirkweise basieren.
(Bild: Gett)

Die Tabelle 1 zeigt typische kritische Einflussgrößen auf Bediensysteme, die auf kapazitiver Wirkweise basieren. Bei nachteiligen Konstellationen sollte der Rückgriff auf konventionelle (mechanische) Lösungen bedacht werden. Wie genau wird das Endgerät bedient? Wann und wie oft? Welche Events und Funktionen werden ausgelöst? Welche Daten werden in welcher Menge und mit welcher Frequenz eingegeben? Diese und weitere Fragen stellen sich bei der Vorkonzeption einer Touchbedieneinheit.

Tabelle 2: Kompakter Überblick über die Vor- und Nachteile kapazitiver Bediensysteme.
Tabelle 2: Kompakter Überblick über die Vor- und Nachteile kapazitiver Bediensysteme.
(Bild: Gett)

Optimal ist eine Bewertung, die sich an den realen Gegebenheiten orientiert. „Weil man es heute so macht“ ist nach wie vor kein hinlänglicher Grund, Touch-Interfaces unreflektiert in ein Gerät zu implementieren. So kann eine klassische mechanische Taste – zumal im rauen industriellen Umfeld – besser geeignet sein als ein kapazitiver Taster. Gleiches trifft für ein Display ohne implementierte Touchfunktion aber mit kombinierter Industrietastatur zu (Tabelle 2).

Ein zentrales Thema bei der Eingabe spielen Handschuhe, da sie ein reales Bedienhindernis setzen. Während eng sitzende, dünne Varianten wie Silikon- und Latexhandschuhe problemlos auf kapazitiven Bedienoberflächen funktionieren, ist dies bei dickeren Textil- und Lederhandschuhen nur bedingt der Fall. Denn Materialien wie Wolle, Fleece oder Leder wirken schlichtweg isolierend. Zudem entstehen so Luftspalte zwischen Finger und Handschuhmaterial.

Das elektrische Feld der Sensoren ist nicht in der Lage, den Handschuh stark genug zu durchdringen. Abhilfe schafft eine Kombination aus einem leistungsfähigen Touchcontrollers mit der Definition möglicher Handschuhvarianten und -strukturen. Oder der Einsatz sogenannter Touchscreen- oder Smart-Gloves, die eine spezielle Beschichtung im Handflächen- und Fingerbereich haben. Letztere kommen vor allem im Produktionssektor vor. Hier bieten Hersteller wie UVEX oder Engelbert Strauss touchfähige Arbeitshandschuhe für das Industrieumfeld an.

Alle Umgebungsbedinungen eines Bedieninterface

Wenn die maßgebenden Hausaufgaben zum frühestmöglichen Zeitpunkt mit Umsicht und Sorgfalt erledigt werden, dürfen sie gerne zur Bedienung eines Touchinterfaces in Betracht gezogen werden. Ein wichtiger Grundsatz lautet: Basics first! Wichtig ist das genannte 360-Grad-Screening der Umgebungsbedingungen, der Anwendung und des technischen Systems an sich. Grundlage sollte hierzu eine FMEA (Failure Mode and Effects Analysis ) bilden, die mit allen weiteren neuen Produkten und Lösungen fortgeschrieben wird.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 17/2020 (Download PDF)

Mit der FEMA-Methode lassen sich potenzielle Fehlerquellen in Produkten oder Prozessen von vornherein finden, ihre Bedeutung erkennen und bewerten. Die Design-Guidelines und Handbücher von Unternehmen, die auf die Entwicklung von Touchinterfaces spezialisiert sind, stellen hohe immaterielle Vermögenswerte dar. Als Chronik vergangener Misserfolge konservieren sie wertvolle Erkenntnisse. Zunehmende Effizienz, Fehlervermeidung, Risikominimierung und Handlungssicherheit sind die Folge.

* Jens Kieselbach ist Senior Field Application Engineer (FAE) bei Gett Gerätetechnik in Treuen.

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