Vom PCAP Sensor zum funktionalen Komplettsystem

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1 Vom PCAP Sensor zum funktionalen Komplettsystem Einführung Die Funktionalität kapazitiver Toucheingabesysteme hängt zwingend von der Abstimmung der im System verbauten Komponenten ab. Durch die Zusammenführung von kapazitivem Sensor, Coverglas, LCD, Montagerahmen und weiteren Komponenten wird das kapazitive Umfeld beeinflusst und es ist eine sensible Abstimmung erforderlich. Im anwenderorientierten Entwicklungsprozess ist daher unbedingt vorausschauend zu beachten, dass insbesondere das Zusammenführen der Komponenten aus verschiedenen Quellen und unklar definierte Verantwortungen in der gesamten Prozesskette - von der Entwicklung bis zur Inbetriebnahme des Gesamtsystems - Schwierigkeiten bereithalten. Diese sind nur dann zu vermeiden, wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind. Der nachfolgende Beitrag stellt den Problemlösungsansatz der HUMMEL AG vor, der die alleinige Verantwortung und Herstellung der Komponenten und den Systembau vorsieht. Häufige Fehlerursachen im System Die Eingabe mittels kapazitiver Systeme für die Steuerung von HMIs ist in weiten Bereichen vom Markt längst akzeptiert und sogar ausdrücklich gewünscht; sei es wegen der einfacheren Handhabung von GUIs oder aufgrund des ansprechenderen Designs, das die Realisierung von geschlossenen Oberflächen erst möglich macht. Neue Technologien ermöglichen es, moderne, sehr anwenderfreundliche und zuverlässige PCAP Touchsysteme auch für industrielle Anwendungen herzustellen. Doch bevor der Wunsch des Anwenders nach einem einfachen und problemlos arbeitenden PCAP-System machbar ist, gilt es die möglichen Fehlerquellen zu bedenken und durch entsprechende Maßnahmen diese weitestgehend zu vermeiden. Fehlerursachen können sein: Ein kapazitiver Touchscreen, bestehend aus Sensor und der Auswerteelektronik interagiert permanent mit seinem kapazitiven Umfeld und somit werden neben der gewünschten Information einer Berührung noch andere Störsignale detektiert. Diese können Fehlauslösungen verursachen, oder aufgrund der Störungen die eigentliche Berührung nicht mehr erkennen lassen. Bei der Messung eines kapazitiven Sensors gilt es immer das schwache Signal, das durch den Finger oder Stylus generiert wird, vor dem Rauschen des Systems und anderer dynamischen Störer aus dem

2 Umfeld zu unterscheiden. Je nach Verfahren wird die Kapazitätsänderung inklusive der vorhandenen Störung ermittelt, und das Messergebnis ist nicht mehr eindeutig als Touchvorgang auszuwerten. Nicht nur dynamische Störungen haben Einfluss auf das Auswerteergebnis, sondern auch statische Einflüsse wie metallische Gegenstände, Leitungen, LCD-Rahmen, oder auch nur die gläserne Touchfront erhöhen die parasitäre Kapazität. Das bedämpft die Messung und das gewonnene Messergebnis erscheint sehr gering und das ist oft Ursache für weniger leistungsfähige Systeme. Ist so der Signal-Rausch-Abstand auf ein gefährlich geringes Maß gesunken kann es zu Fehlauslösungen, oder keinen Erkennungen kommen. Insbesondere, wenn Linien gezogen werden, oder mehrere Touchpunkte erkannt werden müssen. Ist dem Designer die Funktionsweise der Auswerteelektronik nicht ausreichend bekannt und es unklar ist, wie der Pfad der Ladungsverschiebung innerhalb des Sensors und des Systems abläuft, kann das Problem nur schwer nachvollzogen und gelöst werden. Insbesondere bei leitungsgebundenen Störungen tritt nun der Fehlerfall ein. Neben den bisher genannten Ursachen für die Bedämpfung gibt es noch weitere, die meist nicht berücksichtigt werden: Farbsysteme auf dem Touchglas aufgebracht, Klebeverbindungen zu Rahmen/Trägersystemen, das optische Bonding von Touchglas und Glassensor, Feuchtigkeit aufnehmende Kapillaren oder auch schiefe und verzogene Einzelkomponenten. Die meisten der zuvor genannten Ursachen haben direkten Einfluss auf die Zuleitungen, die außerhalb des sichtbaren Bereichs die Elektroden des Sensors mit der Auswertelektronik verbinden. LCD Bezel Kleber Power Supply Träger Dicke Cover Glas Bonding Toucherkennung Störverhalten Störsignale Bedruckung Leitungsführung RFID Erdung Grafik 1: Direkte und indirekte (gestrichelt) Beeinflussungen

3 Herangehensweise bei der Systemauslegung kapazitiver Multi Touch HMIs Es ist besonders sinnvoll die Auslegung des HMI vom Ende her, - also dem fertigen Produkt als Ausgangpunkt, - zu wählen und die an dieser Stelle festgelegte Spezifikation nach vorne auf die jeweiligen Einzelkomponenten zu übertragen. Einfach umzusetzen ist das bei der Größe und Bildschirmdiagonale, wobei schon hier der Randbereich des Sensors entscheidend mit einfließt und in der Planung des erforderlichen Platzes berücksichtigt werden sollte. Wobei man die Begriffe Active Area und Open Area nicht außer Acht lassen sollte. Aufwendiger und technisch herausfordernder sind die Festlegungen, welche in direkter Interaktion mit dem Touchverhalten stehen: Dazu gehören das optische Bonding zum Cover Glas und zum LCD, die Dicke des Coverglases, die Position/das Material des Trägersystems, der Abstand zwischen Touch und LCD und einiges andere mehr. Auch die gewünschte Umweltspezifikation fließt in die Systemauslegung mit ein, wie z.b. Temperaturbereich, Schock, Vibration, Schlagfestigkeit und nicht zuletzt die Funktion im Zusammenhang mit Feuchtigkeit oder Wasser. Hohe Ansprüche an das Optische und die Transparenz des Displays erfordern das optical Bonding, eine vollflächige transparente Verklebung zwischen den Komponenten. Jedoch hat das Verfüllen mit Kleber zwischen Display und Touch bzw. Touch und Cover Glas kapazitiven Einfluss, der unbedingt berücksichtigt werden muss. Das GUI muss speziell für die Touchbedienung ausgelegt sein. Dessen Gestaltung hat allerdings eher geringen Einfluß auf die Systemauslegung. Allerdings ist es für eine angenehme Art der Bedienung wichtig. Zu kleine Aktionsflächen oder zu schmale Sliderbahnen sind beispielsweise nicht geeignet und machen die Bedienung unangenehm bzw. undefiniert. Einige Beispiele für wechselseitige Beeinflussung: Dickes Cover Glas Touchempfindlichkeit Fingerseparierung Abstand LCD, Abstand Trägersystem Touchempfindlichkeit Störübertragung Robustheit Schlagfestigkeit Touchempfindlichkeit optische Eigenschaften Die Vermeidung von Problemen und Fehlern in der Herstellungskette Alle Schwierigkeiten, die aus den eingangs genannten Fehlerquellen resultieren können, verstärken sich, wenn mehrere Partner bei der Herstellung eines Systems zusammen wirken. Das liegt daran,

4 dass in einer langen Prozesskette die Kernkompetenzen für das HMI-System auf mehrere Parteien verteilt sind. In einer solchen Wertschöpfungskette erreicht die Toucheinheit oftmals nicht die erforderliche Leistungsfähigkeit, weil der Hersteller des Sensors zu wenig vom System erfährt und damit die Sensor/Controllerfunktionalität nur unzureichend einstellen kann. Anwender setzen daher häufig auf Touchsensoren und Touchcontroller, die im Handel als Standardprodukt verfügbar sind; allerdings sind diese für die jeweilige Aufgabe in der Regel nicht geeignet, da die projektspezifischen Eigenheiten nicht angepasst sind. Die eingeschränkten Tuningmöglichkeiten, das eingeschränkte Produktwissen und eventuell fehlende Tools führen zu einer nicht auf die Applikation abgestimmte Einheit. Änderungen, die während der Entwicklung und Produktion an der Applikation vorgenommen werden, fließen nicht in die Touchkonfiguration ein. Somit entstehen HMIs mit ungenügender Touchperformance. Dies ist sehr frustrierend, denn damit entsteht der Eindruck, dass PCAP-Touchsyteme für industrielle Anwendungen nicht geeignet sind. Nachweislich sind kapazitive Touchsysteme für die Industrie aber tauglich. Eine sehr enge und intensive Kommunikation zwischen den am Prozess Beteiligten, führt zu einer in allen Belangen zufriedenstellender Lösung. Klare Absprachen an den Leistungsübergängen, und regelmäßiger Informationsaustausch idealer Weise bei Treffen helfen das jeweilige Touchverhalten an verschiedenen Wertschöpfungspunkten zu beurteilen und eventuell zu justieren. Die beschriebene Vorsicht gilt nicht nur beim kapazitiven System innerhalb eines HMIs, sondern auch bei anderen Fertigungsschritten, beispielsweise beim optischen Bonden von Touchsensoren. Hier gibt es zwei Welten: Zum einen das Laminieren von PET-Sensoren auf Cover Gläser, einem vergleichsweise einfachem Prozessschritt, bei dem auf Reinheit, auf die Druckstufen der Rahmenbedruckung und saubere Oberflächen geachtet werden muss. Obwohl die Verarbeitung eines PET Sensors zunächst einfacher erscheint, ist das Ergebnis hinsichtlich der optischen Klarheit, der Langlebigkeit, Temperatur- und UV-Stabilität nicht immer optimal. Beim Überkleben des Übergangs vom aktiven Bereich in den bedruckten Randbereich kann es wegen des Höhenunterschiedes nach einiger Zeit zur Bildung von Luftblasen und Ablösungen kommen. Anders ist das beim optischen Bonding, bei dem das Cover Glas mit dem Touch Sensor nass und füllend verklebt wird und die zuvor genannten Probleme sich nicht zeigen, wenn der Verklebeprozess entsprechend beherrscht wird. Die richtige Reinheit der Fügepartner ist zwingend erforderlich. Eine entsprechende Reinigung vorab ist unabdingbar damit die Klebeverbindung eine entsprechend spezifizierte Langlebig hat. Auch dürfen keine Wechselwirkungen zwischen dem verwendeten Kleber und anderen verwendeten Materialien auftreten, wie beispielsweise bei mit der Bedruckung, oder bei Beschichtungen. Obwohl diese Verarbeitung aufwendiger ist, ist das Ergebnis hinsichtlich der

5 Robustheit entscheidend verbessert. Bisher erstreckt sich diese Technik nur auf Glassensoren, da derzeit die Verklebung von Glas mit PET industriell nicht prozesssicher machbar ist. Einen weiteren Punkt gilt es zu beachten: Werden die jeweiligen kritischen Prozesse und Technologien bei den beteiligten Partnern und Leistungsgebern beherrscht, bleibt immer noch der Warenübergang zwischen den Partnern als Stolpertstein. Oftmals ist die Zuständigkeit unklar und es kommt wiederholt zu Diskussionen und Aussprachen, die zusätzlichen Aufwand bedeuten. Dies wird in Tabelle 1 deutlich, in der die Erfordernisse für die Prozessübergänge gezeigt werden. Jeder der Partner muss, um sicher zu gehen, die Ware beim Eingang auf Unversehrtheit und Funktion prüfen und für seinen jeweiligen Fertigungsschritt vorbereiten, z.b. durch Reinigen. Weiterhin muss die Ware vor der Weitergabe einem Ausgangstest unterzogen werden, damit der Prozessnachfolger einen nicht für Mängel verantwortlich machen kann. Der Test von kapazitiven Systemen muss hierzu verstanden und beherrscht sein, diese Aufgabe erfordert spezielles Zusatzwissen. Ansonsten können versteckte und trickreiche Fehlerbilder im Touchsensor nicht erkannt werden, wodurch undefinierter Perfomance Verlust auftreten kann. Wenn derartige Tests an mehreren Stellen im Fertigungsprozess aufgesetzt werden, ist das zeit- und kostspielig. Auch durch den wiederholten Versand von Ware, der mit jedem zusätzlich Projektpartner und Fertigungsschritt aufwendiger wird, und zusätzliche Kosten und Zeitaufwand erfordert. Letztlich erschwert die Beteiligung mehrere Partner auch eine eindeutige und verbindliche Kostenkalkulation, da die Preise der Einzelkomponenten jeweils den Kalkulationsgrundsätzen des jeweiligen Anbieters folgen und eventuell auch Währungsschwankungen berücksichtigen müssen. Einzelkomponenten aus Volumenfertigungen, wie in Asien üblich, machen die Kalkulation mit hohen Mindestabnahmemengen abermals schwierig.

6 Prozessvoraussetzung Prozess Prozessübergabe an Nachfolger Sensor muss bei Eingang auf optische Mängel und Funktion geprüft werden (IQC). Coverglas muss fehlerfrei bedruckt sein und den spezifizierten Abmessungen entsprechen Reinheit feststellen Mengenprüfung Modul 1 muss bei Eingang auf optische Mängel und Funktion geprüft werden (IQC). Reinheit feststellen Mengenprüfung. Display muss auf Funktion und optische Mängel geprüft werden. Konfiguriertes Modul 2 muss bei Eingang auf optische Mängel und Funktion geprüft werden (IQC). Sauberkeit feststellen Mengenprüfung. Konfiguriertes Gesamtmodul muss bei Eingang auf optische Mängel und Funktion geprüft werden (IQC). Mengenprüfung. Tabelle 1 Produktion Sensor & Controller Bonding Coverglas. Bonding Display Gerätebau/EMS Endfertigung HMI (Applikationsspezifische Ausfertigung) Reinheit entsprechend Anforderung Nachfolgeprozess. Funktions- und optischer Test. Konfiguration/Kalibrierung Controller Reinheit entsprechend Anforderung Nachfolgeprozess. Funktions- und optischer Test. Neukonfiguration/Kalibrierung Controller Modul 1 Prüfung des Gesamtmoduls Neukonfiguration/Kalibrierung Controller Modul 2 Prüfung des Gesamtmoduls Neukonfiguration/Kalibrierung Controller Gerät Prüfung des HMI. Abschließende Konfiguration/Kalibrierung Controller Ebene HMI Die Abhängigkeit bei der Entstehung verstehen Dem Produktdesigner eines Multi-Touch HMI muss es bewusst sein, dass die verschiedenen nacheinander ablaufenden Entwicklungs- und späteren Fertigungsprozesse direkten Einfluss auf das Funktionsverhalten eines Touch Systems nehmen. Bedeutend wichtig ist zu wissen, dass die Spezifikation der fertigen Applikation maßgeblich wichtig für den Sensorentwurf ist und dass Vernachlässigungen zum Projektstart später schwer bis gar nicht korrigierbar sind. Häufig erfordert dies ein neues Sensordesign. Ein Multitouch HMI besitzt einen kapazitiven Fingerabdruck, der sich durch die projektspezifischen Eigenheiten definiert und über die Konfiguration im Touch Controller und dem Aufbau festgehalten wird. Änderungen an diesem kapazitiven Fingerabdruck müssen neu bewertet und in die Controller Konfiguration aufgenommen bzw. angepasst werden, ansonsten geht möglicherweise entscheidendes Leistungspotenzial verloren.

7 Konsequenz Aus den vorherigen Betrachtungen lassen sich zwei Haupterkenntnisse für eine erfolgreiche HMI- Erstellung ableiten: 1. Die jeweiligen Prozess- und Fertigungsschritte müssen von allen Beteiligten in Hinsicht kapazitiver Multitouch Sensorik klar verstanden werden, um ein Höchstmaß an Funktionalität und Bediensicherheit zu schaffen. Vernachlässigungen einer klaren Einordnung der Applikation in der Spezifikationsphase, Änderungen während der Produkterstellung oder der Serienproduktion führen zu unzufriedenem Funktionsverhalten oder sogar zum Gesamtausfall der Toucheinheit. 2. Zur Vermeidung von Abstimmungsschwierigkeiten und zur Kostenreduzierung empfiehlt sich die Kooperation mit einem Partner, der möglichst große Zahl der erforderlichen Fertigungsschritte unter einem Dach vereint. Eine geringere Anzahl von externen Prozessschnittstellen verringert die Gefahr von Fehlern und damit verbundenen Schuldfragen. Weiterhin reduziert dies die Kosten und die erforderliche Produktionszeit. Für einen passenden Produktionsanlauf kann der ausgesuchte Partner idealer Weise auch kleine Stückzahlen herstellen, wie es die hiesige Industrie erfordert. Abschließend ist festzustellen, dass PCAP-Touchsysteme bereits in Industrie, Medizin, Transport, Logistik, Point of Sales u.v.a.m. ihren Einsatz finden und sich bewähren. Die Herausforderungen der Entwicklung und Herstellung vom PCAP Sensor bis zum funktionalen Komplettsystem sind beherrschbar, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind und technologisches Know-How vorhanden ist. In Verbindung mit kundenorientierten Angeboten unterstützen dies, die Akzeptanz und den Einsatz von PCAP-Touchsystemen weiter zu fördern.

8 Zum den Autoren Jürgen Ruther studierte Nachrichtentechnik an der FH Konstanz und ist über 20 Jahre in der Elektronikbranche tätig. Seit Anfang 2000, als kapazitive Buttons und Sliders in großem Umfang in der Industrie Einzug hielten, ist der Autor mit dem Thema kapazitive Sensorik beschäftigt. Dem Technologietrend folgend, gehören kapazitive Multitouchsysteme ab Ende der 90iger zur Hauptbetätigung. Seit 2014 leitet Jürgen Ruther die Business Unit ITS & SE (Industrielle Touch Systeme & Sensoren) bei der Hummel AG in Denzlingen und der Humme B.V. in Leeuwarden, Niederlande. Manfred Fischer studierte Mikrosystenmtechnik an Universtät Freiburg und ist seit vielen Jahren als Entwicklungsingenieur in der Industrie tätig. Unter anderem hat er langjährige Erfahrung in der Entwicklung und der Realisierung von Eingabesystemen speziell in Form von Sonderlösungen. Angefangen bei kapazitiven Tasten- und Tastaturlösungen bis hin zu aktuelle PCT Systemen. Seit 2010 ist Herr Fischer bei der Hummel AG für Schaffung von kapazitiven Touchsystemen verantwortlich.