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Zytronic

Entwickler, die effiziente und zuverlässige HMIs für anspruchsvolle Umgebungen in der Industrie bereitstellen sollen, sehen sich einigen Herausforderungen ausgesetzt. Die industrielle Hardware kann zum Beispiel extremen Temperaturen, aggressiven Chemikalien und starken Vibrationen ausgesetzt sein. Entwickler müssen daher zwischen der Betriebslebensdauer des Systems und der Touch-Leistungsfähigkeit genau abwägen.

Im Großen und Ganzen sind die verschiedenen Touchsensoren, die derzeit für Multi-Touch auf großen Displays angeboten werden, überwiegend für die Consumerelektronik konzipiert. Sie weisen systemeigene Konstruktionseigenarten auf, die einen Einsatz in den meisten industriellen Systemdesigns verhindern. Infrarot- (IR) und Optiksensor-Multi-Touch-Techniken erfordern eine Lünette oder einen Rahmen, um die Sensorelemente unterzubringen. Damit besteht die Gefahr, dass nicht nur die Sensorelemente beschädigt werden können, sondern es kann auch zu Staub- und Flüssigkeitsablagerungen in den Aussparungen des Rahmens kommen, was die Touch-Performance des Sensors beeinträchtigt.

Touch-fähige Tische oder Wand-Displays

Der Fortschritt macht auch bei modernen Mensch-Maschine-Schnittstellen in Industrieanlagen nicht Halt, zum Beispiel in der Schwerindustrie. Einfache Schalter, Tasten und Tastaturen gehören immer mehr der Vergangenheit an. Fortschrittliche berührungsempfindliche HMIs kommen zunehmend in immer mehr Anwendungen zum Einsatz: in Prozesssteuerungen, der Automatisierungstechnik, Robotik und in Bildverarbeitungssystemen. Multi-Touch im industriellen Bereich bietet die Möglichkeit, eine weitere Dimension in puncto Funktionalität und Produktivität hinzuzufügen. Das Zusammenlegen mehrerer Steuerungen in eine einzige, einfach zu bedienende Oberfläche ist der Schlüssel dazu.

P-Cap Multi-Touch

Die eigenkapazitive Variante der Projective Capacitive (P-Cap) Touchsensorik mit ihrer Fähigkeit, winzige Frequenzänderungen in einer Matrix zu erkennen, die durch die Annährung eines Fingers induziert werden, bietet eine sehr hohe Z-Achsen-Empfindlichkeit und wird seit über einem Jahrzehnt erfolgreich in robusten HMI-Designs eingesetzt. Damit lassen sich einzelne als auch zwei unabhängige Berührungen gleichzeitig durch dickes Glas hindurch genau erkennen.

P-Cap-Sensorik auf Basis gegenseitiger Kapazität, bei der die Lade-/Entladedaten der Knoten zwischen benachbarten Zellen in einem XY-Gitter erfasst werden, kann mehr als zwei Berührungspunkte erkennen – wenn entsprechende Steuerelektronik und Software vorhanden ist. Leider bietet sie nicht die gleiche Z-Achsen-Empfindlichkeit wie eigenkapazitive Sensorik. Beim Versuch, diese zusammen mit dickem, schlagfestem Glas zu verwenden, wie es in industriellen Umgebungen erforderlich ist, treten allerdings Probleme auf. Die Mehrzahl der P-Cap-Touchsensoren mit gegenseitiger Kapazität ist mit einer Indium-Zinnoxid-Schicht (ITO) ausgestattet, die als leitfähiges Sensormedium dient. Trotz seiner Leitfähigkeit weist ITO einen relativ hohen elektrischen Widerstand auf, was die Empfindlichkeit beeinträchtigt. Bei größeren Bildschirmen kann sich dieser Widerstand entlang der Detektierungsmatrix aufbauen, bis zu einem Punkt, an dem Berührungen nur noch durch maximal 1 bis 2 mm dickes Glas erkannt werden können. Dies ist zwar mehr als ausreichend für leichtgewichtige, tragbare Consumerelektronik aber völlig unzureichend für industrielle Anwendungen. Dieser Widerstandsaufbau entlang einer ITO-Leitung beschränkt auch die Größe des Touchscreens, da die dämpfende Wirkung die Empfindlichkeit verringert. Konkret gesagt wird der Signal-Rauschabstand (SNR) zu klein, sobald der Touchscreen die Größe von 15 Zoll überschreitet – wenn nicht komplexe und teure Elektronik sowie Sensoraufteilungstechniken verwendet werden. Aber selbst damit ist die Dicke der Glasoberfläche auf 2 mm beschränkt.

Vergleich zwischen einem herkömmlichen Multi-Touch-Sensor (aus mehreren Schichten) und einer PCT-basierten Alternative mit nur einer Schicht.

Vergleich zwischen einem herkömmlichen Multi-Touch-Sensor (aus mehreren Schichten) und einer PCT-basierten Alternative mit nur einer Schicht.Zytronic

Projected Capacitive Technology

Als Folge dieser Einschränkungen finden sich Multi-Touch-fähige P-Cap-Sensoren in der Industrie bis heute eher selten. Eine neue Sensortechnik könnte dies aber nun ändern: sie verbindet die Z-Achsen-Empfindlichkeit der Eigenkapazität mit der größeren Zahl an Berührungspunkten der gegenseitigen Kapazität. Diese industriell optimierte Multi-Touch-Lösung wurde von Zytronic entwickelt und basiert auf der eigenen Projected Capacitive Technology (PCT). Damit lassen sich gleichzeitig mindestens zehn Berührungen unabhängig voneinander erkennen, wobei die Technik auch in Displays mit einer Größe von 70 Zoll oder mehr integrierbar ist.

Der PCT-Touchsensor besteht aus einer Matrix mit Kupferkondensatoren, die nur 10 µm Durchmesser aufweisen und in ein Substrat laminiert sind. Dieses Sensorsubstrat lässt sich dann hinter einem verstärkten Frontglas anbringen, das bis zu 6 mm dick sein kann. Im Gegensatz zu P-Cap Multi-Touch-Lösungen auf Basis gegenseitiger Kapazität steht damit ein hoher Schutzgrad zur Verfügung, der den Einsatz des Sensors in industriellen Umgebungen begünstigt.

Der Multi-Touch PCT-Sensor wird durch einen hochleistungsfähigen Controller unterstützt. Dieser verarbeitet die erfassten Berührungsdaten. Beim Verwenden von gegenseitiger Kapazität wird jeder der Knotenpunkte auf dem XY-Gitter vom Controller überwacht. Der Energietransfer wird an der Überschneidung der X- und Y-Elektroden lokalisiert. So lässt sich eine detaillierte Erfassung der Energieverteilung über dem Sensor erstellen, was die genaue Positionsbestimmung jedes Berührungspunktes ermöglicht. Die Palm-Rejection-Technologie ignoriert Betätigungen mit der Handfläche oder anderen Körperteilen und gewährleistet die Integrität der Berührungsdaten.

Positionen verschiedener Berührungspunkte, die durch Energy Mapping bestimmt werden.

Positionen verschiedener Berührungspunkte, die durch Energy Mapping bestimmt werden.Zytronic

Bedienung mit Handschuhen

Auch die Bedienung mit Handschuhen muss gewährleistet sein, was in bestimmten Prozessverarbeitungsanlagen oder in der Medizintechnik von Bedeutung ist, wenn Mitarbeiter Handschuhe tragen müssen. Dieser Vorteil ist mit anderen Berührungstechniken nicht möglich.

Da die Kupferdrähte mit einem Dielektrikum beschichtet sind, lassen sie sich in einem einzigen Prozessschritt beziehungsweise in einer Schicht herstellen. Dies vereinfacht den Querschnittaufbau des Sensors. Im Gegensatz dazu erfordern ITO-basierte Sensoren mit gegenseitiger Kapazität mehrere Schichten, die zu einem komplexen, diamantförmigen Elektrodenmuster aufgebaut werden. Dabei müssen die X- und Y-Elektroden voneinander isoliert werden, was die Gesamtkomplexität und die Kosten erhöht – vor allem bei geringeren Stückzahlen, wie sie in industriellen Anwendungen üblich sind.

Die P-Cap-Einzelschichttechnologie bietet also auf Basis der gegenseitigen Kapazität eine technisch und wirtschaftlich optimierte Lösung für Multi-Touch in der Industrie. Damit lassen sich HMIs der nächsten Generation und mit großem Formfaktor in Display-Systeme in der Industrie einsetzen, ohne größere Kompromisse eingehen zu müssen. Die fein abgegrenzten Nutzergesten, die bereits im Consumerbereich möglich sind, stehen nun also auch für HMI-Lösungen in der Industrie zur Verfügung.