Kapazitive Touch-Screens Handschuh vs. Touch-Screen

Touchscreens sind nicht mehr wegzudenken, denn damit lassen sich komplexe Systeme intuitiv bedienen. Was aber, wenn man aufgrund der niedrigen Temperaturen oder im Operationssaal Handschuhe tragen muss? Die Antwort: Kommt auf den Handschuh an. Welche Handschuhe eigen sich für kapazitive Touchscreens und welche nicht? Und wie kann man trotzdem mit eigentlich ungeeigneten Handschuhen arbeiten?

Es ist schon erstaunlich, welche Freiheiten der Markt gewährt, wenn man ein beliebtes Produkt wie das »iPhone« betrachtet. Werden andere Produkte mit Berührungsbildschirm schnell schlechtgeredet, wenn sie sich nicht mit Handschuhen bedienen lassen, sieht Apple darin die Gelegenheit, spezielle Handschuhe zu entwickeln, die auf wundersame Weise zusammen mit dem Smartphone assoziiert werden. Weit davon entfernt, eine Einschränkung darzustellen, können sich die Nutzer mit diesen Handschuhen noch mehr an ihrem Produkt erfreuen.

Jetzt gibt es einen wachsenden Markt für Handschuhe, die speziell dazu entwickelt wurden, mit kapazitiven Berührungssensoren zu arbeiten. Sie werden zu modernen Modeartikeln, und alles sieht danach aus, dass Cap-Sense-Einlagen für Handschuhe bald zu einem Standardmerkmal für Handschuhe in der kalten Jahreszeit werden. In gewisser Weise ist das eine gute Nachricht für uns alle, denn der Markt hat anscheinend die Einschränkungen akzeptiert, die durch kapazitive Berührungssensoren vorliegen.

Als Gruppe sind wir bereit, diese Art von Problembehebung zu billigen, um die Vorteile von Berührungssteuerungen weiter zu nutzen. Zwar scheint das Problem für Handhelds also vor allem ein eher saisonales zu sein, denn meist tragen wir nur während der kalten Jahreszeit Handschuhe. Aber es gibt einige Anwendungen, bei denen der Anwender immer Handschuhe tragen möchte oder muss, beispielsweise Chirurgen, Laboranten oder Maschinenbediener im industriellen Umfeld.

Müssen Geräteentwickler nun alle ihre Pläne neu überdenken, wenn kapazitive Berührungssensoren in ein neues Produkt integriert werden? Für Entwickler im Bereich kapazitiver Berührungssensorik fällt die Antwort auf diese Frage typisch aus: Es kommt auf die Anwendung und Umgebung an. Je nach dem Material, aus dem der Handschuh hergestellt ist, je nach Betriebsumgebung und je nach Design und Konfiguration des Sensors ist die Antwort dementsprechend vielfältig. In einigen Fällen gibt es überhaupt kein Problem, in anderen muss das Produktdesign angepasst werden, und in wenigen Fällen ist eine alternative Technik sinnvoller.

Tests sind hilfreich

Es gibt viele Einsatzmöglichkeiten, und die zuverlässigste Art festzustellen, ob es mit einer bestimmten Anwendung ein Problem gibt, sind praktische Testreihen. Einige Anwendungen erfordern dabei umfangreiche Tests und Feineinstellungen eines bestimmten Sensordesigns. Um aber ein ungefähres Gefühl für das Ausmaß eines Problems zu erhalten, lassen sich einige einfache und kostengünstige (oder sogar auch kostenlose) Tests mithilfe von Demo-Kits des Herstellers durchführen.

Die hier gezeigten Bilder zeigen das Ergebnis einer Reihe von Tests, die mit Atmels Touchscreen-Evaluierungskit »EVK5480E« durchgeführt wurden. Mit einem trockenen Finger unter Normalbedingungen liefert der Sensor eine klar definierte Antwort, welche die Anwendungssoftware ohne Probleme als Berührung identifizieren kann.

Die optimale Funktion eines Berührungssensors beruht auf einer guten Masseverbindung zwischen der Erde und dem Körper des Bedienenden. Alles was hier im Weg steht, kann das Sensorverhalten beeinträchtigen. Das Ausmaß, zu dem ein Handschuh dazu beiträgt, hängt vor allem vom Material ab, aus dem dieser hergestellt ist.

Haushaltshandschuhe beispielsweise bestehen aus dünnem Kunststoff, der eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Diese Zahl gibt den Umfang an, wie ein Material den elektrostatischen Fluss konzentriert, den ein kapazitiver Sensor erkennt. Diese Art von Kunststoff hat nur wenig Einfluss auf die Empfindlichkeit. Daher verringert sich das Antwortverhalten nur sehr wenig. Dies trifft auch auf Einweg-Vinyl-Handschuhe zu, die von Ärzten, Laboranten und Mechanikern getragen werden.

Kapazitive Berührungssensoren arbeiten in der Regel ohne Probleme, wenn sie mit dieser Art von Handschuhen bedient werden. Handschuhe aus gestrickten, gewebten Materialien (z.B. Wolle) oder aus Fleece-ähnlichen Materialien zeigen jedoch ein anderes Verhalten. Sie weisen große Lufthohlräume im Gewebe auf, die zu einer sehr niedrigen Dielektrizitätskonstante führen. Diese Hohlräume isolieren den Finger von der Sensorelektrode.

Das Antwortsignal auf eine solche Berührung kann so klein sein, dass es schwierig ist, es vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Das Antwortverhalten auf einen bestimmten Handschuh hängt auch noch von anderen Faktoren wie seiner Anfertigung und den Umgebungsbedingungen ab, beispielsweise ob er nass ist.

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Die Auswirkungen von verschiedenen Handschuh-Typen auf Touch-Screens

Touch-Screens können höchst unterschiedlich darauf reagieren, wenn sie etwa mit dem Finger, einem Vinyl-Handschuh oder einem nassen Lederhandschuh berührt werden.

En erheblicher Unterschied beim Antwortsignal entsteht durch einfaches Eintauchen eines Arbeitshandschuhs aus Leder in sauberes Wasser. Wasser mit ionischen Verbindungen, wie zum Beispiel Reinigungsmittel, hätte ein noch deutlicheres Ergebnis hervorgebracht.

Schlussfolgerungen aus den Tests

Diese Beispiele verdeutlichen, dass die Aspekte Handschuhe und kapazitive Berührungssensoren je nach Einzelfall getrennt zu untersuchen sind. Die Testergebnisse zeigen einen großen Unterschied bei den jeweils verwendeten Materialien. Was sie nicht aufzeigen, sind die Änderungen, die unterschiedliche Sensordesigns mit sich bringen.

Im Evaluierungskit EVK5480E kommt ein kapazitives Sensorarray zum Einsatz, »QMatrix« genannt. Es misst die Änderungen eines eng gekoppelten elektrischen Feldes, das sich vor allem innerhalb des Panels befindet. Ein nicht richtungsgebundener Eigenkapazitätssensor, beispielsweise Atmels »QTouch«, kann so eingerichtet werden, dass er die Feldänderungen über dem Panel erfasst.

Verändert man die Größe von Elektroden- und Abtastkondensatoren, lässt sich die Empfindlichkeit mit einem QTouch-Sensor erheblich verbessern. Damit eignet sich das Panel sogar als Näherungssensor, wobei ein Objekt bereits bei der Annäherung erkannt wird. Diese Funktion eignet sich besonders, wenn eine Reaktion mit Handschuhen erwünscht ist.

In industriellen Anwendungen, bei denen spezielle Handschuhe getragen werden, lässt sich die Größe und Konfiguration des Sensors so ändern, dass dieser den spezifischen Handschuhen entspricht. Es gibt allerdings Grenzen, bis zu denen ein Betrieb mit Handschuhen funktioniert. Handschuhe, die eine hohe Wärmedämmung bieten müssen, können ein Problem darstellen. Sie weisen innerhalb ihres Materials große Lufthohlräume auf, sodass hier Handschuhe mit speziellen Cap-Sense-Einsätzen erforderlich sind. Anderenfalls gibt es keine technische Lösung, die dieses Problem mit kapazitiven Berührungssensoren lösen würde.

Alternativ ließe sich der Handschuh natürlich immer ausziehen; dies kann aber in bestimmten Situationen zu einer Gefahr werden, zum Beispiel bei extrem niedrigen Temperaturen in Kühlhäusern. Natürlich gibt es Alternativen. Die Gefahr in Kühlhäusern, dass der Finger an der Berührungsoberfläche anfriert, kann vermieden werden, indem das Panel auf niedrigem Niveau beheizt wird. Auch ein leitfähiger Stift ließe sich verwenden. In anderen Fällen, so wie es Apple schnell klar war, ist es vor allem ein menschlicher Aspekt.

Die Lösung liegt in einem guten Design, das die Bedürfnisse und Fähigkeiten des Nutzers in Betracht zieht. Die erste Frage, die beantwortet werden muss, ist, ob das Problem ernst genug ist, um auf eine Berührungssteuerung in einer bestimmten Anwendung zu verzichten. Dies hängt natürlich von verschiedenen Faktoren ab.

Über die Autorin:

Helen Francis ist Product Marketing Engineer in der Touch Technology Division von Atmel.