Bild 1: Prinzipieller Aufbau des virtuellen Kondensators eines Berührungssensors.

Bild 1: Prinzipieller Aufbau des virtuellen Kondensators eines Berührungssensors. Atmel

Ein Näherungssensor besteht im Prinzip aus einem virtuellen Kondensator, der sich aus einer Kupferleiterbahn auf der Leiterplatte (PCB), einem Dielektrikum (Luftspalt) und einer Massefläche zusammensetzt (Bild 1). Normalerweise haben kapazitive Näherungssensoren keine Abschirmung und können dadurch einen sich nähernden Finger oder eine Hand aus fast jeder Richtung erkennen. In einigen Situationen ist diese 360°-Erkennung jedoch nicht erwünscht, da die Sensoranwendung eine sehr genaue Lokalisierung im Erkennungsbereich erfordert, sprich der Sensor darf den Finger oder die Hand nur in einem bestimmten Bereich oder auf einer Seite bemerken.

Um die Erkennung derartig einzugrenzen, muss man den Sensor abschirmen. Dies ist mithilfe einer sekundären Elektrode möglich, also einer Abschirmung unterhalb der primären Erfassungselektrode des Sensors. Die Abschirmung kann auf Masse oder ein bestimmtes Spannungspotenzial gelegt werden oder aber auch potenzialfrei sein. Dieses Spannungspotenzial der Abschirmung ist sehr wichtig, da es entscheidend beeinflusst, wie gut die Abschirmung in der Endanwendung funktioniert.

Eckdaten

Weil immer mehr Elektronikgeräte über Touchscreens und Gestensteuerungen verfügen, kommt den Näherungssensoren eine immer größere Bedeutung zu. Um ihre Genauigkeit zu erhöhen eignen sich verschiedene Abschirmmaßnahmen. Der Beitrag stellt deren jeweiligen Vor- und Nachteile vor, wobei sich für höchste Genauigkeit die gesteuerte Abschirmung anbietet. Zudem verbessert dieses Abschirmverfahren durch die Reflexion des elektrischen Feldes sowohl die Empfindlichkeit als auch den Erkennungsbereich.

Bild 2: Das elektrische Feld tritt bei einem nicht abgeschirmten Sensor an beiden Seiten aus.

Bild 2: Das elektrische Feld tritt bei einem nicht abgeschirmten Sensor an beiden Seiten aus. Atmel

Bild 3: Elektrisches Feld eines nicht abgeschirmten Sensors bei der Erfassung eines Fingers an der Oberseite.

Bild 3: Elektrisches Feld eines nicht abgeschirmten Sensors bei der Erfassung eines Fingers an der Oberseite. Atmel

Elektrisches Feld erzeugen

Ein elektrisches Feld entsteht, wenn Ladung während der Erfassungsphase der Sensormessung in den Näherungssensor fließt. Ist der Sensor nicht abgeschirmt, dann strahlt das resultierende elektrische Feld aus beiden Seiten des Sensors hinaus (Bild 2). Das Feld nimmt den Pfad des geringsten Widerstands, um die Masse über den Luftspalt zu erreichen. Nähert sich nun ein Finger oder eine Hand dem Sensor, dann kommt ein neuer Pfad zur Masse hinzu. Dies verändert die durch den Sensor erkannte kapazitive Last und stellt einen direkteren Pfad zur Masse zur Verfügung (Bild 3). Je näher der Finger am Sensor ist, desto größer ist die wirksame Kapazität, was wiederum ein Maß für die Entfernung zwischen Sensor und Finger ist. Die Kapazitätsänderung dient bei der Sensorerkennung als Maß für die Stärke und Intensität des elektrischen Feldes.

Der Finger in Bild 3 kann sich dem Sensor allerdings sowohl von der Unterseite als auch von der Oberseite nähern, da sich das elektrische Feld auf beiden Seiten des Sensors ausbreitet. In den meisten Fällen ist dieser zusätzliche Erkennungsbereich kein Problem. Normalerweise ist die Sensorerkennung durch die Positionierung des Sensors in der Anwendung auf eine Richtung beschränkt, also ist nur eine Seite des Sensors für die Außenwelt zugänglich. Der Sensor kann aber in bestimmten Fällen auch beidseitig genutzt werden – für den Entwickler ist dieser erweiterte Erfassungsbereich aber meist unwichtig. Er kann ihn aber als Zusatzfunktion betrachten, welche die Anwendung im Hinblick auf die Erkennung robuster macht.

Beidseitig aktivierbar

Bild 4: Elektrisches Feld eines abgeschirmten Sensors vor der Erfassung.

Bild 4: Elektrisches Feld eines abgeschirmten Sensors vor der Erfassung. Atmel

Bild 5: Elektrisches Feld eines abgeschirmten Sensors bei der Erfassung eines Fingers an der Oberseite.

Bild 5: Elektrisches Feld eines abgeschirmten Sensors bei der Erfassung eines Fingers an der Oberseite. Atmel

Es gibt allerdings auch Szenarien, in denen eine Sensoraktivierung von der Rück- oder Unterseite unerwünscht ist. Dies kann mehrere Gründe haben: der Sensor soll von anderen empfindlichen Schaltungen/Masse isoliert werden, oder die Richtung, aus der eine Erkennung erfolgen kann, ist vorgegeben. In diesen beiden Fällen ist eine Abschirmung unter dem Sensor erforderlich, wie in Bild 4 dargestellt. In dieser Konfiguration strahlt das elektrische Feld nur von der Oberseite der Baugruppe ab. Die Abschirmung absorbiert das Feld, das normalerweise die Unterseite des Sensors abstrahlt. Mit dieser Abschirmung funktioniert der Sensor nur in einer Richtung, und zwar auf der Sensorseite (Bild 5). Im Prinzip hat der Entwickler drei Möglichkeiten:

  • er könnte die Abschirmung potenzialfrei lassen,
  • er erdet die Abschirmung oder
  • er legt die Abschirmung wird auf ein bestimmtes Spannungspotenzial.

Abschirmung

Eine potenzialfreie Abschirmung ist eigentlich keine Abschirmung. Wenn die Schirmelektrode nicht mit einem festen Potenzial verbunden ist, bildet diese einfach eine zweite Platte des Sensors, also des dielektrischen Kondensators. Normalerweise stellt diese Platte dem elektrischen Feld durch den Luftspalt einen weiteren Pfad zur Masse zur Verfügung. Wenn die Ladung während der Erfassungsphase auf den Sensor übertragen wird, strahlt das elektrische Feld wieder von der Ober- und Unterseite der Baugruppe ab, wie bei einem nicht abgeschirmten Sensor. Der Sensor erkennt den sich nähernden Finger von beiden Seiten der Baugruppe (Bild 6).

Bild 6: Sensor mit potenzialfreier Abschirmung bei der beidseitigen Erfassung des Fingers.

Bild 6: Sensor mit potenzialfreier Abschirmung bei der beidseitigen Erfassung des Fingers. Atmel

Bild 7: Sensor mit geerdeter Abschirmung bei der Erfassung des Fingers.

Bild 7: Sensor mit geerdeter Abschirmung bei der Erfassung des Fingers. Atmel

Eine geerdete Schirmelektrode ergibt eine sehr gute Abschirmung (Bild 7). Ist die Schirmelektrode direkt mit der Masse der Schaltung verbunden, dann erhält das ausgestrahlte elektrische Feld einen direkteren Pfad zur Masse als über den Luftspalt. Die geerdete Abschirmung schwächt das elektrische Feld auf der Oberseite der Baugruppe ab und fungiert für das Feld auf der Unterseite als ein Shunt zur Masse. Damit ist eine Erkennung von der Unterseite aus nicht mehr möglich. Eine Erkennung von der Oberseite des Sensors ist dagegen weiterhin möglich, aber die Stärke des elektrischen Feldes sinkt, worunter auch die Empfindlichkeit und der Erkennungsbereich des Sensors leiden. Diese Reduzierung des Erkennungsbereichs ist für einen standardmäßigen Berührungssensor zwar akzeptabel, für einen Näherungssensor aber nicht.

Gesteuerte Abschirmung

Bild 8: Sensor mit gesteuerter Abschirmung bei der Erfassung des Fingers.

Bild 8: Sensor mit gesteuerter Abschirmung bei der Erfassung des Fingers. Atmel

Eine gesteuerte Abschirmung (Bild 8) stellt die beste Variante der drei möglichen Konfigurationen dar. Gesteuert bedeutet in diesem Fall, dass man die Schirmelektrode über ein bestimmtes Spannungspotenzial ansteuert. Idealerweise sollte diese Spannung hinsichtlich der Amplitude und Phase mit der Ansteuerung des Sensors übereinstimmen. Durch diese Ansteuerung reflektiert die Abschirmung das nach unten ausgestrahlte elektrische Feld auf die Oberseite der Baugruppe. Diese Reflexion verbessert die Empfindlichkeit und vergrößert den Erkennungsbereich des Sensors. Dabei ist zu beachten, dass jede Fehlanpassung zwischen dem Sensor und der Spannungsquelle für die Abschirmung die Empfindlichkeit und den Erkennungsbereich wieder verschlechtert. Die Signale sollten deshalb sehr genau aufeinander abgestimmt sein.

Bild 9: Vergleich der Wirkung der drei Abschirmungsarten.

Bild 9: Vergleich der Wirkung der drei Abschirmungsarten. Atmel

Bild 9 vergleicht die relativen Feldstärken der drei besprochenen Konfigurationen für Sensor-Abschirmungen. Das Diagramm verdeutlicht die Dämpfungswirkung, die eine geerdete Abschirmung auf das elektrische Feld hat, gefolgt von der Unwirksamkeit der potenzialfreien Abschirmung und zeigt schließlich die Verstärkung des elektrischen Felds durch eine gesteuerte Abschirmung.

Größe und Geometrie

Bild 10: Empfehlungen für die Größe und Geometrie von Abschirmungen für Näherungssensoren.

Bild 10: Empfehlungen für die Größe und Geometrie von Abschirmungen für Näherungssensoren. Atmel

Um eine effektive Abschirmung zu erreichen, sollte die Abschirmung immer größer sein als der abzuschirmende Sensor. Ist die Abschirmung gleich groß oder kleiner als der Sensor, dann kann das elektrische Feld um den Sensor herumreichen und die Abschirmungswirkung schwächen. Eine Faustregel besagt, dass die Abschirmung um die Hälfte der Breite und die Hälfte der Höhe in den jeweiligen Richtungen über den Sensor hinausreichen sollte. Bild 10 illustriert diese Beziehung. Es empfiehlt sich außerdem, die Abschirmung als eine durchgehende Fläche ohne regelmäßige Lücken zu realisieren. Tests haben gezeigt, dass Unterbrechungen die Abschirmungswirkung abschwächen.

Von den drei möglichen Konfigurationen zur Abschirmung von Sensoren – geerdet, potenzialfrei und angesteuert – ist die potenzialfreie Variante ungeeignet, denn sie ermöglicht keine Abschirmung des Sensors gegenüber der äußeren Umgebung. Sie stellt einfach einen weiteren Pfad für das elektrische Feld direkt zur Masse zur Verfügung, wie bei einem nicht abgeschirmten Sensor. Die geerdete Variante schirmt den Sensor zwar gut ab, senkt aber die Empfindlichkeit und den Erkennungsbereich. Verursacht wird dies durch einen Pfad mit niedriger Impedanz zur Masse. Die gesteuerte Abschirmung übertrifft dagegen die beiden anderen Abschirmungen. Sie schirmt den Sensor vor unerwünschten Berührungen auf einer Seite ab und vergrößert die Sensorempfindlichkeit und den Erkennungsbereich. Damit ist die Implementierung einer gesteuerten Abschirmung die geeignete Lösung um einen Sensor gegenüber der Umgebung abzuschirmen.