Kapazitive Berührungserkennung Mit oder ohne Handschuhe

Berührungserkennung ersetzt mechanische Tasten.
Berührungserkennung ersetzt mechanische Tasten.

Benutzerschnittstellen mit kapazitiver Berührungserkennung ersetzen immer mehr mechanische Tasten, ob im Konsumgüterbereich oder in medizinischen und industriellen Geräten. Eine Vorausetzung für die Fortführung dieses Trends ist die zuverlässige Bedienung mit Handschuhen. Doch dafür müssen noch Probleme überwunden werden.

Die Bedienung mit Handschuhen verbessert die allgemeine Nutzererfahrung des Produkts. So sollte zum Beispiel die berührungsempfindliche Schnittstelle eines Smartbands auch dann einwandfrei funktionieren, wenn der Benutzer bei kaltem Wetter Handschuhe trägt. Ebenso sollten sich medizinische Geräte auch mit Latex-Handschuhen bedienen lassen. Für eine zuverlässige Berührungserkennung mit Handschuhen gibt es jedoch noch zwei wesentliche Hindernisse:

Erkennung der schwachen Signale durch die behandschuhte Hand und Unterdrückung von Fehlsignalen durch über den Sensoren schwebende Finger.

Schwächeres Signal durch ­Handschuhe

Die kapazitive Berührungserkennung funktioniert nach dem Prinzip, dass ein Finger, der die Deckschicht über dem Sensor berührt, beim Sensor eine Kapazitätsänderung bewirkt (Bild 1). Diese Kapazitätsänderung wird gemessen und von einem Controller in ein digitales Signal umgewandelt. Wenn der gemessene Wert eine vorgegebene Schwelle überschreitet, wird dies als Berührung erkannt.

Die Änderung der digitalisierten Kapazität durch die Berührung mit dem Finger wird als Signal und die unbeabsichtigte Änderung der digitalisierten Kapazität ohne direkte Berührung wird als Rauschen bezeichnet. Für eine zuverlässige Berührungserkennung wird ein Signal-Rausch-Abstand (SNR) von 5:1 empfohlen. Der Handschuh fügt eine weitere trennende Schicht hinzu. Dies reduziert die Stärke des Signals bis unterhalb der vorgegebenen Schwelle und die Berührung wird nicht erkannt. Daher muss der Anwender die Handschuhe ausziehen, um das Gerät fehlerfrei zu bedienen.

Fehlerkennung bei unbeabsichtigter Annäherung

Ein Berührungssensor kann darauf abgestimmt werden, mit dickeren Trennschichten zu funktionieren, indem seine Empfindlichkeit erhöht wird. Ein so abgestimmter Berührungssensor kann auch eine Berührung mit Handschuhen erkennen.

Das Problem dabei ist, dass eine unbeabsichtigte Annäherung mit dem bloßen Finger in unmittelbarer Nähe des Sensors die gleiche Kapazitätsänderung bewirkt wie eine Berührung mit Handschuhen (Bild 2). Dies kann die Nutzererfahrung des Produkts beeinträchtigen. Eine einfache Lösung wäre eine vom Anwender vorgenommene Umschaltung vorzusehen, mit der er dem Gerät mitteilt, ob er Handschuhe trägt oder nicht. Für den Anwender ist dies jedoch ein Bedienschritt mehr und medizinische Gerät müssen unter allen Bedingungen gleich funktionieren.

Erhöhung der Signalstärke bei Berührung mit Handschuhen

Die folgenden Entwicklungsparameter sollten berücksichtigt werden, um die Signalstärke bei Berührung mit Handschuhen zu erhöhen:

Empfindlichkeit: Bei der kapazitiven Berührungserkennung liegt die durch die Berührung bewirkte Kapazitätsänderung im Bereich einiger 100 fF. Eine Berührung mit einem Handschuh führt zu einer Kapazitätsänderung von 100 fF. Eine Schaltung mit einer Empfindlichkeit von 500 Counts/pF liefert bei einer Berührung mit 100 fF 50 Counts, während eine Schaltung mit einer Empfindlichkeit von 50 Counts/pF bei derselben Berührung nur 5 Counts erzeugt. Eine Schaltung mit höherer Empfindlichkeit erkennt die Berührung mit einem Handschuh zuverlässiger.

Parasitäre Kapazität: Die parasitäre Kapazität ist die Eigenkapazität des Sensors durch die Nähe zu anderen leitenden Objekten. Je höher das Verhältnis zwischen der Kapazitätsänderung und der parasitären Kapazität ist, desto höher kann die Empfindlichkeit des Sensors eingestellt werden.

Einige Controller zur Berührungserkennung verfügen über die folgenden zwei Eigenschaften, um die Auswirkungen einer hohen parasitären Kapazität auf die Empfindlichkeit zu reduzieren:

Fähigkeit zur pseudodifferenziellen Messung: Ein Con­trol­ler zur Berührungserkennung, der pseudodifferenziell messen kann (d.h. pseudodifferenzielle A/D-Umsetzung verwendet), kann so eingestellt werden, dass er einen bestimmten Kapazitätsbereich misst und so eine höhere Empfindlichkeit erhält. Das heißt, dass eine Schaltung zur kapazitiven Berührungserkennung mit einem 12-bit-A/D-Umsetzer so abgestimmt werden kann, dass auch bei einem Sensor mit einer parasitären Kapazität von 16 pF eine Empfindlichkeit von 512 Counts/pF erreicht wird.

Unterstützung von Abschirmelektroden: Die Abschirmung des Sensors gegenüber anderen leitenden Objekten in der Umgebung minimiert die zusätzliche Kapazität und damit die parasitäre Kapazität des Sensors.