Touchsensoren Kritische Betrachtungen zu Touchsensorik im Industrieeinsatz

Das Bedienen von Handys, Tablet-PCs und Fahrkartenautomaten per Touch ist Alltag. Aber die Technik dahinter ist eine echte Herausforderung, besonders für den Einsatz in der Industrie.

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Seit der ersten Vorstellung einer Touchscreen-Lösung 1968 für den Einsatz in der Flugüberwachung, hat sich diese Technologie in vielen Marktsegmenten etabliert. Funktionen, die per Berührungen gesteuert werden, sind inzwischen Stand der Technik. Obwohl Touchsensoren anfänglich nur in der Konsumelektronik den Durchbruch schafften, sind sie heute auch in Industriesystemen weit verbreitet.

Wie das Wachstum von Konsumprodukten mit berührungsgesteuerten Bedienelementen eindrucksvoll unterstreicht, lassen sich mit berührungsempfindlichen Sensoren intuitiv bedienbare Mensch-Maschine-Schnittstellen realisieren. Es lassen sich zwei Hauptarten von Touch-Schnittstellen unterscheiden: berührungsgesteuerte Bildschirme (Touchscreens) und berührungsgesteuerte Tasten bzw. Tastaturen (Touchpads). Touchscreens bestehen aus durchsichtigen, auf ein Display aufgebrachten Folien mit integrierten Sensoren. Die Software interpretiert die Berührungen als Positionen und Gesten.

Die meisten heute im Einsatz befindlichen Touchscreens basieren auf resistiver Technologie. Diese werden aber immer schneller von kapazitiven Touchscreens abgelöst, die aufgrund der Innovationen bei Smartphones und Tablet-PCs im Konsumbereich rasch zum Standard werden. Im Vergleich mit den herkömmlichen resistiven Touchscreens unterliegen sie einem geringeren Verschleiß und unterstützen eine komplexere Gestenerkennung.

Kapazitive Touchscreens arbeiten überwiegend nach dem PCT-Verfahren (Projected Capacitive Touch). Bei diesem Verfahren wird die Kapazität zwischen zwei Elektroden gemessen. Erfolgt eine Berührung mit einem Finger, so werden dadurch dem Stromkreis elektrische Ladungen entzogen; die Elektronik erkennt diese Änderung als Berührung.

Weil Touchscreens viele Elektrodenarrays und somit viele Anschlüsse benötigen, werden Touchscreen-Controller üblicherweise als eigenständige ASICs verwirklicht. MCU-Bausteine (Mikrocontroller) verfügen in der Regel nur über eine begrenzte Anzahl von frei verfügbaren Pins. Daher ist es nicht praktikabel, die Siliziumfläche und die Anschlüsse zu spendieren, die man für einen kapazitiven Touchscreen-Controller mit voller Auflösung und Multi-Touch-Funktion braucht.

In solchen Anwendungen sollte sich eine MCU auf eine Rolle als Host-Controller für die Touchscreen-Sensorik beschränken. Auch sollte man nicht außer Acht lassen, dass Touchscreens, die über volle Auflösung verfügen, normalerweise auch komplexe Grafiken, wie sie eher in Mikroprozessorsystemen verbreitet sind, verarbeiten können müssen. Daher eignen sich MCUs im Allgemeinen nicht für den Einsatz mit kapazitiven Touchscreens. Aber wir werden in den folgenden Abschnitten sehen, dass sich diese Lücke schließt.

Kapazitive Touch-Keypads lassen sich aber auch mit MCU-Systemen realisieren. Zwar existieren einige Sensoren mit jeweils zwei Elektroden pro Erfassungsposition (Mutual Capacitance Technology, MCT), aber die meisten in MCUs integrierten Touchsysteme arbeiten nach dem Eigenkapazitätsverfahren (Self Capacitance Technology; SCT). Der Begriff Eigenkapazität bezieht sich auf kapazitive Touchsysteme, bei denen die Kapazität zwischen einer Elektrode und einem Bezugspotenzial (üblicherweise Masse) ausgewertet wird. Nach dem Eigenkapazitätsverfahren arbeitende Systeme weisen gegenüber MCT-Systemen eine höhere Empfindlichkeit auf, sodass sie auch für Näherungssensoren herangezogen werden können.

Eigenkapazitätssensoren können mit einem einzigen MCU-Anschluss und einer (im Gegensatz zu den Matrix-Arrays eines MCT-Systems) relativ einfachen Messschaltung auskommen. So erklärt es sich, warum sie sich besser für eine Integration in MCUs eignen. Nach dem Eigenkapazitätsverfahren funktionierende Tastaturen sind in fassettenreichen Anwendungen als Ersatz für mechanische Bedienelemente nutzbar. Zu den am meisten verbreiteten Einsatzgebieten gehören Tasten, Tastern mit nur einer Funktion bis hin zu vollständigen QWERTZ-Tastaturen. Es besteht die Möglichkeit, Elektrodenarrays so zu multiplexen, dass man damit mehr Tasten bedienen kann, als man eigentlich Elektroden zur Verfügung hat. Die Bilder zeigen ein Tastaturkonzept mit einzelnen Elektroden bzw. eine Tastatur mit gemultiplexten Elektroden zur Realisierung von möglichst vielen Tasten.

Es gibt aber auch noch andere Anwendungsgebiete für Eigenkapazitätssensoren. Auch andere Arten von mechanischen Eingabegeräten wie Potenziometer (Schiebe- und Drehregler) und Encoder können ersetzt werden. Elektrodenarrays lassen sich je nach Art des benötigten Eingangssignals realisieren. Oft werden diese Arrays als Schiebe- oder Drehregler ausgeführt. Bei beiden können (abhängig von der jeweiligen Umsetzung) sowohl eine Position als auch eine Bewegung in Sensorrichtung auswerten.

Näherungssensor für den Industrieeinsatz

Eigenkapazitätssensoren besitzen noch eine weitere wichtige Eigenschaft: mit der geeigneten Elektrode und der entsprechenden Empfindlichkeitseinstellung ist ein Näherungssensor aufbaubar. Damit lassen sich vordefinierte Vorgänge auslösen. In Industrieanwendungen kann man beispielsweise erkennen, ob sich eine Hand im Erfassungsbereich bewegt. In Sicherheitssystemen kann entsprechend Alarm gegeben werden.

Durch Kombination unterschiedlicher Arten von Touchsensor-Strukturen und einer optionalen Näherungserkennung können Produktentwickler interessante und einfach zu bedienende Schnittstellen realisieren. Darüber sind Eigenkapazitätssensoren im Gegensatz zu MCT-Touchscreens, die einen sehr viel teureren Herstellungsprozess speziell für die Prototypenfertigung erfordern, auf jedem leitenden Material möglich, mit dem sich eine glatte Oberfläche schaffen lässt. Bestimmte Materialien eignen sich besser als andere, aber im Allgemeinen lässt sich sagen, je höher die Leitfähigkeit, desto besser.

Eine äußerst preisgünstige und auch empfohlene Möglichkeit ist es, die Tasten auf eine kupferbeschichtete Platine zu ätzen. Steht das Layout für das Tastenfeld einmal fest und ist es auf die Platine übertragen, dann können Grafikdesigner auf die dielektrische Oberfläche, mit der die Elektroden abgedeckt werden, beliebige Bilder und Symbole aufbringen.

Natürlich gibt es auch andere Optionen. Beispielsweise kann man eine kapazitive Folie realisieren, indem man das Layout mit leitfähiger Tinte auf eine flexible Plastikfolie aufbringt. Der Hersteller dieser kapazitiven Folie kann bereits alle notwendigen Lagen integrieren: Dielektrikum, Tastaturlayout, Steckverbinder, LED-Grafik (für visuelles Feedback) und sogar einen Klebefilm für die einfache Verarbeitung in der Fertigung.

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