Software Enhanced Piezo für robuste Touch-Bedienung mit haptischem Feedback

Berührungsempfindliche Oberflächen geben dem Designer mehr Freiheiten, lassen sich leichter reinigen und sparen Kosten gegenüber elektromechanischen Schaltern. Einmal integriert, sind Änderungen am Bedienfeld oder Design der Schalter nur noch schwierig durchzuführen. Elektromechanische Komponenten erweisen sich oft als die unzuverlässigsten Bauteile in einem System, vor allem in rauen Umgebungen. Außerdem müssen Löcher ins Gehäuse gebohrt werden und es ergeben sich erhebliche Designanforderungen, um die Bedienfelder gegen Feuchtigkeit oder Verunreinigungen zu schützen.

Resistive und kapazitive Alternativen

Als klassische Alternative bieten sich resistive Folienschalter an. Sie bestehen aus zwei Lagen von Leiterbahnen, die durch einen isolierenden Abstandshalter voneinander getrennt sind. Die leitfähigen Lagen kommen in Kontakt zueinander, wenn ein Finger oder Stift (Stylus) sie zusammendrückt. Da für diesen Kontakt eine mechanische Bewegung von etwa 0,1 bis 0,5 mm erforderlich ist, muss die Beschichtung des Bedienpanels (Overlay) sehr flexibel sein, was die Materialauswahl begrenzt. Kunststoff- oder Metallwölbungen bieten dann ein taktiles Feedback, was aber die erforderliche Bewegung auf bis zu 1 mm erhöht. Im Laufe der Zeit kann dies den mechanischen Verschleiß erhöhen und das Schaltgefühl verändern.

Mit dem Durchbruch von Smartphones und Tablets haben sich auch verschiedene Formen kapazitiver Berührungssensorik etabliert. Sie verwenden ein anwendungsspezifisches Muster oder eine X-Y-Matrix dünner Drähte auf der Innenseite des Panels. Bei einem Display mit Glaspanel kommt durchsichtiges Indium-Zinn-Oxid (ITO) zum Einsatz. Das Panel erkennt eine Berührung, wenn ein Finger das elektrostatische Feld stört, das durch ein Steuersignal erzeugt wird und eine kapazitive Kopplung mit der Empfängerelektrode oder Masse herstellt. Die Empfindlichkeit, Geschwindigkeit, Genauigkeit und Auflösung bei der Erfassung lassen sich beim Design und während des Betriebs anpassen. Diese Faktoren werden durch Feuchtigkeit oder andere Verschmutzungen auf der Touch-Oberfläche beeinflusst. Auch Handschuhe können den Betrieb beeinträchtigen. Metallische Overlays lassen sich nicht verwenden, sodass widerstandsfähige Touch-Panels nicht möglich sind, und eine inkonsistente Reaktionsfähigkeit erschwert eine zeitlich präzise visuelle oder hörbare Rückkopplung an den Benutzer.

Piezoelektrische Tasten

Der piezoelektrische Effekt (druck-elektrisch) wurde in den frühen 1880er Jahren von Pierre und Jacques Curie entdeckt. Dieser Effekt eignet sich ebenfalls für Touch-Sensorik, die praktischerweise kostengünstiger als kapazitive Berührungssensorik ist. Natürliche Quarzkristalle, Rochelle-Salz, Turmalin und gefertigte Keramik wie Bariumtitanat und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) erzeugen Elektrizität, wenn man mechanischen Druck auf sie ausübt. Es tritt eine gewisse mechanische Bewegung auf, die aber weniger als 1 µm beträgt und somit um ein Vielfaches geringer ist als bei einem resistiven Touch-Panel.

Bild 1: In einem Piezo-Touch-Schalter befindet sich das piezoelektrische Material zwischen leitenden Schichten. Wird Druck ausgeübt, biegt sich der Schalter durch.Aito

Der Schichtaufbau eines Piezo-Touch-Schalters ist in Bild 1 dargestellt. Druck auf das Panel-Overlay überträgt sich auf die piezoelektrische Scheibe (Pille), die sich zwischen einer leitfähigen Folie und den Kupferkontakten auf der Leiterplatte befindet. Die Oberseite des Schalters (die der Benutzer sieht) kann mit der erforderlichen Information bedruckt oder bestanzt werden, und die RoHS-konformen piezoelektrischen Scheiben werden in Öffnungen innerhalb des isolierenden Abstandshalters eingefügt. Die Lagen werden auf die Leiterplatte aufgebracht und sind nur 0,3 mm dick.

Sensordaten verarbeiten

Bild 2: Der Aito-Chip stellt eine komplette Schnittstelle zwischen einem Piezo-Touch-Schalterpanel mit seinen Anzeigen, anderen Feedback-Vorrichtungen und dem Host-System dar.Aito

Frühere piezoelektrische Tasten waren noch relativ unzuverlässig im Betrieb: Abweichungen beim aufzuwendenden Druck, in der Zusammensetzung der piezoelektrischen Materialien und bei Temperaturänderungen ergaben ein inkonsistentes User-Interface. Bausteine wie der Aito-Chip gleichen diese Abweichungen aus und ermöglichen piezoelektrische Touch-Panels, die stabil und zuverlässig arbeiten – auch in anspruchsvollen Umgebungen, in denen andere Berührungstechniken nicht funktionieren. Der Controller-Chip in Bild 2 bietet folgende Funktionen:

• Er erfasst das Analogsignal, das durch den Druck auf die piezoelektrische Scheibe entsteht. Die Empfindlichkeit wird über die Änderung des Schaltpunktes eingestellt.
• Kommuniziert mit dem Host-Prozessor über eine I²C- oder SPI-Schnittstelle.
• Erzeugt Ausgangssignale für die Benutzer-Rückkopplung, zum Beispiel einen Ton (Summer), visuell (LED) oder haptisch (physikalische Empfindung).

Durch Erfassen der Drück- und Loslassbewegung lässt sich auch die Betätigungsdauer messen. Jede Taste kann somit mit zwei verschiedenen Funktionen belegt werden, da „Drücken und Halten“ eine andere Funktion ermöglicht. Jede Taste des Bedienpanels ist auch mit einer haptischen Rückkopplung ausgestattet, wobei sich die Reaktion individuell einstellen lässt.

SEP-Touch

Bild 3: Das Overlay-Material eines piezoelektrischen Touch-Panels kann beliebig sein, zum Beispiel rostfreier Stahl für die wasserdichte Heiß- und Kaltwasserbetätigung an einer Mischbatterie.Aito

Aitos Technologie wird als „Software Enhanced Piezo“ (SEP) bezeichnet. Ein Konsortium von Unternehmen unterstützt diese Technik. Ein wesentlicher Vorteil piezoelektrischer Schalter ist die Designfreiheit für Entwickler, die damit nahezu jedes Material als Panel-Overlay verwenden können – sei es einen elektrischen Leiter oder einen Isolator. Der Aufbau des Schalters kann flach oder gebogen und unterschiedlich dick sein. Mit dieser Designflexibilität lassen sich Bedienpanels schaffen, die nicht nur technisch für die Anwendung geeignet sind, sondern auch ein ästhetisches Aussehen des Endprodukts garantieren. Die Wahl des Overlay-Materials lässt sich entsprechend der Betriebsumgebung optimieren, zum Beispiel zum Schutz gegen Feuchtigkeit, Chemikalien oder sogar Strahlung. Bild 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel.

Piezoelektrische Schalter halten zudem elektrostatischen Entladungen (ESD) Stand und arbeiten zuverlässig bei HF-Störungen, die beide bei kapazitiven Touch-Panels zu erheblichen Problemen führen können. Piezo ist auch eine energieeffiziente Lösung: Kapazitive Panels müssen ständig ein elektrostatisches Feld erzeugen, während Piezo-Schalter bei Aktivierung ihr eigenes Signal erzeugen. Der Chip befindet sich solange im Ruhezustand bis ein Eingang empfangen wird.

Mit SEP-Entwicklungstools lassen sich die Empfindlichkeit und das Nutzer-Feedback für die einzelnen Berührungstasten anpassen. Sie umfassen Hardware-Demo- und Evaluierungskits, ein PC-Softwaredesign-Paket und eine Softwarebibliothek sowie umfangreiche Dokumentation. Die Softwarebibliothek unterstützt die Arduino-Rechnerplattform, mit der sich Hardware-Prototypen vor dem Design der eigentlichen Embedded-Hardware demonstrieren lassen.

Gute Wahl

Jede Art von Berührungssensorik hat ihre Vor- und Nachteile. Es kommt auf die jeweilige Anwendung an, welche Technik die optimale Lösung darstellt. Der Fortschritt bei piezoelektrischen Berührungstasten, vor allem bei SEP mit ihrem zusätzlichen Vorteil der haptischen Rückkopplung, rückt diese Technik weiter ins Interesse. Entwicklern steht damit mehr Designfreiheit zur Verfügung, und sie können ihre Produkte durch ein ästhetisches Aussehen, einen robusten Betrieb und durch Kosteneinsparungen im Wettbewerb hervorheben.

Das folgende englischsprachige Video zeigt die Robustheit eines piezoelektrischen Bedienpanels auf Basis von Aitos SEP-Technologie:

(lei)