Kapazitive Berührungssensorik

Da stets neue smarte Einrichtungen wie TV-Geräte, Set-Top-Boxen, Audiogeräte, Weiße Ware, PC-Peripherie, Sicherheitspanels und industrielle Steuerungen auf den Markt kommen, haben das Design der Benutzerschnittstelle und die Benutzerfreundlichkeit entscheidenden Einfluss auf die Akzeptanz im Markt und damit auch auf die verkauften Stückzahlen und die Umsätze. Entwickler können aus vielen unterschiedlichen Technologien wählen, wie beispielsweise herkömmliche Tastschalter oder verschiedene Arten von Touch-Sensoren.

Schalter oder Touch?

Bild 1: Differenzielle Sensorik löscht die Auswirkungen parasitärer Kapazitäten (Cp) zwischen Pads und Masse aus. On Semiconductor

Mechanische Schalter wie Folien- oder taktile Schalter sind ausgereift und kostengünstig. Zu ihren weiteren Vorteilen gehören einfache Verfügbarkeit und Integration, wodurch sie ein minimales Elektronik- oder Softwaredesign erfordern.

Die taktile Rückkopplung bestätigt dem Nutzer die Betätigung der Schaltfunktion. Allerdings weisen mechanische Schalter durch ihre beweglichen Teile relativ langsame Reaktionszeiten sowie eine geringe Zuverlässigkeit auf. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass zusätzliche Störunterdrückungs- oder Entprell-Schaltkreise erforderlich sein können. Touch-Sensoren bieten demgegenüber den Vorteil einer einfacheren Montage des Geräts. Da bei Touch-Steuerpanels keine Panel-Ausschnitte erforderlich sind, vereinfacht sich der Aufbau. Zudem lässt sich das Bedienpanel einfacher gegen das Eindringen von Flüssigkeiten abdichten. Für viele Geräte ist dies entscheidend, da sich dadurch die Zuverlässigkeit erhöht und die Reinigung vereinfacht.

In der Berührungssensorik, zu der kapazitive, resistive oder piezoelektrische Techniken zählen, kommt die kapazitive Variante am häufigsten zum Einsatz. Kapazitive Touch-Sensoren lassen sich mittels Siebdruck einfach auf Glas oder Kunststoff aufbringen. Eine Vielzahl von Formen wie Tasten, Slider oder Drehwähler sind so realisierbar. Einfach zu integrieren ist auch die Hintergrundbeleuchtung. Da keine mechanische Rückkopplung der Betätigung erfolgt, wie bei einem taktilen Schalter, kann der Entwickler Licht als Berührungsbestätigung verwenden. Damit lassen sich verschiedene Effekte erzeugen, zum Beispiel bleibt das Panel verdunkelt bis eine Berührung erfolgt, die dann Farbwechsel oder High-tech-Icons zum Vorschein bringt. Diskrete Tonsignale oder Jingles können eine Touch-Betätigung ebenfalls bestätigen.

Prinzip der Berührungserfassung

Bei der kapazitiven Berührungssensorik wird eine Ladungsänderung der Grundkapazität des Sensor-Pads erfasst, sobald der Benutzer seine Fingerspitze annähert. Im selbst-abtastenden Detektor fügt der angenäherte Finger mehr Kapazität zum Sensor hinzu. Diese Änderung erhöht die Zeitkonstante des Touch-Pad-Schaltkreises, die über einen Ladezeit-Messkreis erfasst wird, der in den Touch-Sensor-Controller integriert ist.

Bild 2: Der Controller LC717A00 kann im eigenständigen Modus bis zu acht Sensorkanäle überwachen. On Semiconductor

Gegenseitige Differenzerfassung ist eine weitere Technik. Dabei wird eine Kapazitätsverringerung erfasst, die zwischen dem Sensor-Pad und einem separaten Anregungs-Pad entsteht, wenn sich die Fingerspitze in Richtung Touch-Panel bewegt. Die Kapazitätsänderung (ΔC) wird erkannt und in eine Spannung umgewandelt (U_out). Bild 1 beschreibt einen Differenzverstärkerkreis, der zur Erzeugung von U_out verwendet wird. Die Beziehung zu ΔC ist linear und wird mit einer Schwellenspannung (U_t) verglichen. Eine Berührung wird erkannt, wenn U_out den Wert von U_t übertrifft.

Gegenseitige Differenzerfassung bietet durch ihre höhere Empfindlichkeit und den damit höheren Dynamikbereich einen Vorteil: Die Flexibilität bezüglich des Sensor-Pattern-Designs wird erhöht und die Toleranz für lange Sensor-Trace-Längen steigt, da sich die parasitären Kapazitäten (C_p) zwischen Pad und Masse aufheben. In der Praxis haben sich Trace-Längen von bis zu 500 mm als erfolgreich erwiesen.

Integration des Touch-Controllers

Der Berührungssensor muss über eine elektronische Steuerung mit ausreichend Kanälen verfügen, um die Gesamtzahl der erforderlichen Berührungstasten zu unterstützen. Bisher wurde der Controller als eigenständiger anwendungsspezifischer IC (ASIC) implementiert oder in einen Mikrocontroller (MCU) integriert. Eine MCU-basierte Lösung kombiniert Analog-Peripherie und Software, andere Lösungen bieten spezielle integrierte Touch-Control-Funktionen wie eine CTMU (Charge-Time Measurement Unit) für selbst-abtastende Detektoren. Der MCU-Anbieter kann kostenlose Capacitive-Touch-Software bereitstellen, mit der sich die Code-Entwicklung vereinfacht.

Bild 3: Aufhebung der parasitären Kapazitäten durch Differenzerfassung ermöglicht lange Sensor-Trace-Längen. On Semiconductor

Zahlreiche Vorteile bietet der Einbau eines eigenständigen Controllers. Ein IC wie der LC717A00 von On Semiconductor erfordert keine Host-MCU und stellt verschiedene integrierte Funktionen bereit wie Stör-/Rauschunterdrückung und Wassererkennung, um falsche Betätigung auszuschließen. Eine patentierte automatische Kompensation bei Rauschen und Umgebungsänderungen verhindert störungsbezogene Fehlfunktionen und kompensiert Effekte, welche die Empfindlichkeit beeinträchtigen. Dazu zählen Feuchtigkeitsänderungen oder die Ansammlung von Schmutz auf der Sensoroberfläche.

Der Controller enthält einen C/V-Wandlungsverstärker, der die überwachte Kapazitätsdifferenz in eine Ausgangsspannung umwandelt. Eine Programmierung ist nicht erforderlich, dadurch verkürzt sich die Entwicklungsdauer erheblich. Auch zusätzliche externe Bauteile erübrigen sich, was die Stückkosten verringert. Bild 2 zeigt den LC717A00 im eigenständigen Modus zur Steuerung von bis zu acht kapazitiven Berührungssensoren. Der Baustein bietet eine Kommunikationsschnittstelle (I²C oder SPI), die nach Bedarf den Anschluss an eine Host-MCU ermöglicht.

Bild 4: Ein guter Signal-Rauschabstand garantiert eine zuverlässige Berührungserkennung. On Semiconductor

Der Controller nutzt das Differenzsignalverfahren. Dieses garantiert eine hohe Empfindlichkeit und bietet Entwicklern mehr Freiheiten beim Panel-Design hinsichtlich Form und langer Verbindungen. Bild 3 zeigt ein Touch-Panel-Design, das besonders lange Sensor-Trace-Längen aufweist. Die Datenrate ist auf über 200 Hz konfigurierbar, dadurch ist der Einsatz in Geräten möglich, die eine schnelle Reaktionszeit erfordern.

Der hohe Signal-Rauschabstand (SNR) des Controllers sorgt für eine sehr zuverlässige Berührungserkennung, auch wenn der Anwender Handschuhe trägt. Mit selbst-abtastenden Detektoren ist dies meist nicht möglich. Die Design-Regeln für die Form und Größe der Sensorelektroden, die Auswirkung von Luftspalten sowie die Overlay-Dicke und das -Material sind dabei weniger streng ausgelegt. Bild 4 zeigt die Signal- und Rauschpegel bei realen Sensordaten. In diesem Beispiel weist das Signal eine Differenz von 17.000 Zählern und das Rauschen eine Differenz von 160 Zählern auf. Damit beträgt der SNR 106:1.

(ah)