Fachartikel. Die Tücken der PCAP Integration

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1 Die Tücken der PCAP Integration Bei einer Neuentwicklung oder Re-Designs, beispielsweise eines HMI Systems, bietet der Markt neue Möglichkeen von Eingabesystemen. Auch die Industrie folgt dem Trend, weg von resistiven Touches und hin zu PCAP. Projected Capacive Touch Screen Systeme (PCAP-Systeme) beszen den großen Vorteil, dass sich diese Systeme auch durch geschlossene Glas- oder Kunststoffoberflächen bedienen lassen. Dies ist natürlich in der heutigen Ze, in der HMI Systeme nicht nur ein Funktionselement sind, sondern auch gewissen Designansprüchen genügen müssen, ein herausragender Vorteil. Allerdings sollten Designvorgaben niemals das bestimmende Element des PCAP Gesamtsystems sein. Im Vordergrund sollte immer die Touch Funktionalät und ebenfalls die Touch-Empfindlichke stehen. Beres die Auswahl des falschen Covermaterials in Verbindung m deren Dicke kann zu einer erheblichen Einschränkung der Touch Performance führen. Daher ist es schon bei der Konstruktion des Gerätes wichtig, ein großes Augenmerk auf die technisch notwendigen Aspekte zu legen, welche ein PCAP-System m sich bringt. Die Controllerauswahl ist wichtig Noch vor einigen Jahren war die Auswahl der am Markt erhältlichen Controller ICs sehr begrenzt. Heute führt fast jeder Halbleerhersteller einen IC in seinem Portfolio, der entweder PCAP Buttons oder PCAP Screens ansteuert. Hier sind jedoch eindeutige Unterschiede im weltween Marktanteil zu erkennen. Während in Europa die großen Halbleerhesteller wie ATMEL m der maxtouch Reihe, EETI oder Cypress am stärksten vertreten sind, sind es in Asien eher kleinere und regionale Anbieter, wie Pixcir oder Solomon. Um den industriellen Anforderungen, wie Langzeverfügbarke und Robusthe bzgl. Störfestigke (EMV) gerecht werden zu können, muss der richtige Partner gefunden werden. Nicht zuletzt entscheiden oft die ausgefeilten Signalverarbeungsalgorhmen im Touchcontroller, die für die Filterung der Touch-Rohdaten im Controller verantwortlich sind, über das Bestehen oder Nichtbestehen der Störfestigkesprüfung beispielsweise nach EN Die Forderung nach höheren Feldstärken bei der Störfestigkesprüfung von bis zu 30V/m oder gar 100V/m stellen auch für die modernsten Controller eine Herausforderung dar. DATA MODULs PCAP Lösung easytouch basiert controllerseig auf den maxtouch ICs der Firma ATMEL. Die derze aktuellen Serien S und T sind das Resultat einer kontinuierlichen Weerentwicklung der maxtouch Produktfamilie. Von IC- Generation zu IC-Generation wurden die internen Signalverarbeungsalgorhmen und ebenfalls die in Hardware realisierte Capacive Touch Engine konsequent weer optimiert. Inzwischen basieren die maxtouch Controller für größere Touch-Screen Diagonalen auf einem 32-b Prozessorkern, der ausreichend Rechengeschwindigke zur Verfügung stellt.

2 Auswahl des Cover Materials Als Cover Material bezeichnet man die oberste, transparente Schutzschicht, die als Träger des Touch-Screens und gleichzeig als Schutz vor äußeren Einflüssen (Stoß, Flüssigkeen, Staub) dient. Abbildung 1 stellt einen vereinfachten Standardaufbau einer PCAP Front dar. Abbildung 1: Aufbau einer PCAP Front Bei der Auswahl des Cover Materials sollte immer Glas an erster Stelle stehen. Der größte Vorteil von Glas ist die verhältnismäßig hohe relative Dielektrizätskonstante. Diese physikalische Konstante charakterisiert die Fähigke eines Stoffes, Energie in Form eines Feldes in sich zu speichern. Je größer der Wert dieser Konstante, umso besser kann sich das elektrische Feld eines PCAP Sensors in diesem Material ausbreen. Das System wird dadurch empfindlicher und die Touch-Performance generell besser. In Tabelle 1 sind neben Standard-Float-Glas weere gängige Dielektrizätskonstanten verschiedener Materialien aufgeführt. Ein Float Glas, auch Soda-Lime Glas genannt, besteht aus 75% Silica (SiO 2 ), Soda (Na 2 CO 3 ), Lime (CaO) und einigen anderen Spurenelemente. Material relative Dielektrizätskonstanten ε r Luft PMMA Polycarbonate ~3.0 Float Glas ~6 CORNING Gorilla Glas SCHOTT Xensation TM Glas Tabelle 1: relative Dielektrizätskonstanten Nicht zuletzt durch die Smartphone- und Tablet-Industrie erlangten sogenannte Super Gläser, wie beispielsweise CORNINGs Gorilla Glas, eine gewisse Popularät. Diese Gläser, allgemein als Aluminium-Silikat- oder High-Ion-Exchange-Gläser bekannt, enthalten einen höheren Anteil Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ). Aus diesem Grund haben sie eine etwas höhere Dielektrizätskonstante als normales Float-Glas und werden stärker, sowie flexibler durch den chemischen Vorspannen Prozess. Dam sind diese Gläser besonders gut für PCAP Anwendungen geeignet, da sich das 1 2 CORNING Gorilla Glas Information Sheet - SCHOTT Xensation TM Product Specification -

3 elektrische Feld in diesen Materialien optimal ausbreen kann. In einer typischen Industrieanwendung kommen allerdings eher bedruckte Standard Float Gläser m chemischer oder thermischer Härtung verstärkt zum Einsatz, da Preis-Leistungsverhältnis, sowie die Verfügbarke in Europa am besten sind. Aufgrund von Spltergefahr verzichtet man in der Lebensmtelindustrie häufig auf Glas. Daher greift man oft auf Alternativen, wie Polycarbonat oder PMMA (Plexiglas oder Acrylglas) als Covermaterial zurück. Die Materialien sind sehr robust, transparent und spltern bei Beschädigung nicht. Wie aus Tabelle 1 jedoch ersichtlich ist, beszen Polycarbonat und PMMA allerdings eine, im Vergleich zu Glas, geringe Dielektrizätskonstante. Diese führt dazu, dass die Empfindlichke des Touches herabgesetzt wird. Weerhin ist der Umgang m diesen Kunststoffen im Verarbeungsprozess schwierig und eine Bedruckung, gegebenenfalls mehrfarbig, oft nicht dauerhaft beständig. DATA MODUL empfiehlt für easytouch grundsätzlich Glas als Covermaterial. Sollte dennoch ein Kunststoff als einziges Cover Material gefordert sein, darf für eine gute Touch-Performance eine Dicke von maximal 2mm nicht überschrten werden. Die Tabelle 1 zeigt weerhin sehr anschaulich, warum ein Luftspalt zwischen Touch-Sensor und Cover Material die Touch-Performance extrem verschlechtert. Bei einer Dielektrizätskonstante von ist die Ausbreung des elektromagnetischen Feldes in der Luft entsprechend schlecht. Daher empfiehlt es sich dringend, den Touch-Sensor direkt an das Cover-Material vollflächig zu bonden, oder durch eine Klebeschicht vollflächig zu laminieren. Grundsätzlich kommen zur Verbindung des Touch-Sensors m dem Covermaterial drei gängige Verfahren zum Einsatz. Zum einen lassen sich beide Komponenten durch eine Film-Roll-Lamination verbinden. Die Klebeschicht ist ein doppelseig klebender Kunststofffilm, der vollflächig in einem Rollen- Prozess aufgebracht wird. Der zwee Prozess ist vergleichbar m der Herstellung eines Verbund- Glases und wird als PVB-Heißlamination bezeichnet. Die drte Alternative ist ein Liquid-Optical- Bonding Verfahren in Kombination m einer auf UV-Licht basierenden Aushärtung der Verklebung. DATA MODUL verfügt se Anfang 2013 über eine hausinterne, vollautomatische Optical Bonding Maschine, die unter Reinraumbedingungen arbeet. M dieser Maschine lassen sich nahezu alle gängigen Covermaterialen oder Displays m Touches über das Liquid-Optical- Bonding verbinden.

4 Touch Empfindlichke und Signal-Rauschabstand Die Touch Empfindlichke und der Signal-Rauschabstand (engl. Signal to Noise Ratio, SNR) sind von vielen Faktoren abhängig. Der Signal-Rauschabstand ist ein Maß für die Qualät eines Nutzsignals, welches von einem Rauschsignal (Störsignal) überlagert ist. Während die eigentliche, technische Größe den Abstand der mtleren Leistungen von Nutz- zu Rauschsignal beschreibt, soll in diesem Artikel der Signal-Rauschabstand nur als Beschreibung für den Abstand des Nutzsignals zu einem Störsignal dienen. Die Ermtlung der Mtleren Leistungen der beiden Signale lassen sich einem PCAP Touch System nur schwer bewerkstelligen. Wie beres in den vorherigen Abschnten beschrieben, haben Faktoren wie die Auswahl und Dicke des Cover Materials und auch die Konfiguration des Touch Controllers einen großen Einfluss auf die Touch- Performance. Ein weerer Faktor, der oft vernachlässigt wird, ist der sogenannte Strom-Rückpfad des PCAP Systems. Für ein hohes SNR und eine gute Touch Performance ist ein guter Strom- Rückpfad unbedingt erforderlich. Um die eigentliche Bedeutung des Strom-Rückpfades zu verstehen, soll die generelle Funktionsweise eines PCAP Systems, basierend auf mutual capacive sensing erklärt werden. Bei der mutual capacive sensing Methode wird die Kapazät zwischen X- und Y-Elektrode eines Touch-Screens gemessen. Die eigentliche Messung der Kapazät erfolgt hierbei indirekt über den Strom aus dem aufgeladenen Kondensator zwischen X- und Y-Elektrode des Touch-Sensors. Der Strom integriert über die Ze ergibt nach Q = idt dam die Ladung des Kondensators. Die gemessene Ladung ist proportional zur Kapazät der Kondensatoren, die durch die X- und Y-Strukturen auf dem Touch-Sensor gebildet werden. Berührt nun eine Person m einem Finger den Touch-Screen, beeinflusst dieser die gemeinsame Kapazät von X- und Y-Elektrode auf der Sensoroberfläche. Durch diese Berührung wird ein geringer Strom abgeführt, welcher den Kondensator entlädt. Dieser muss über den Finger, Hand, Arm und Körper der berührenden Person seinen Weg zurück zum Touch Controller finden. Wie bei allen elektrischen Systemen muss nach dem Kirchhoffschen Gesetz die Summe aller Ströme, die in einem Knotenpunkt zusammen laufen, gleich Null sein. Aus diesem Grund muss der Strom, welcher von dem Finger abgeführt wird, über einem Rückpfad wieder zum Touch-Controller fließen. Die Beschaffenhe dieses Rückpfades entscheidet maßgeblich über ein gutes oder schlechtes SNR im Touch-System.

5 Tetherd und floating Geräte Man unterscheidet grundsätzlich zwei verschiedene Arten von PCAP Systemen. Die Klasse der floating devices (schwebendes Erdpotential) sind drahtlose Geräte. Gemeint sind hier Geräte, welche keine physikalische Verbindung zum Stromnetz oder Erdpotenzial haben. Sie werden über Batterie oder Akku betrieben und sind meist tragbar. Das klassische Beispiel sind portable Handhelds wie Smartphones oder Tablets. Dies ist aber nur der Fall, wenn diese Geräte nicht an einem Ladegerät angeschlossen sind, oder über Ethernet-Kabel oder USB-Kabel m einem PC verbunden sind. Werden diese Verbindungen dennoch hergestellt, reiht sich selbst ein Smartphone in die zwee Klasse der PCAP-Systeme ein nämlich die der sogenannten tethered devices (kabelgebunden Erdpotential). Abgeleet von der Bezeichnung handelt es sich hier um Geräte, die durchaus eine physikalische Verbindung zum Stromnetz oder Erdpotential haben. Ct Touch-Kapazät Cfb Freiraum-Körper- Kapazät Cfd Freiraum-Geräte- Kapazät Abbildung 2: idealisiertes Freiraum-Modell 3 floating System Wenn man Abbildung 2 genauer betrachtet, stellt man fest, dass diese nicht der Realät entspricht. Floating devices werden meist in einer Hand gehalten und m dem Finger der anderen Hand bedient. Som ist ein wesentlich kleinerer Stromrückpfad vorhanden, nämlich vom berührenden Finger über den Körper, der bedienenden Person zur haltenden Hand, und dam zurück zum Gerät. Betrachtet man nun ein tethered System, welches über einen Stromanschluss (USB Kabel, Ethernet Kabel oder eine andere physikalische Verbindung) m dem Stromnetz verbunden ist, wird die Suation wesentlich komplexer. Eine Verbindung zum Stromnetz bedeutet in den meisten Fällen auch eine Verbindung zum Erdpotential, also dem PE-Leer. Diese Verbindung muss kein Gleichstrompfad (DC-Kopplung) sein, eine kapazive Verbindung (AC-Kopplung) genügt. 3 Modell basiert auf ATMEL Application Note QTAN0061

6 Ct Cfb Cfd Power Abbildung 3: idealisiertes Freiraummodell tethered System In Abbildung 3 wird ein vereinfachtes Modell eines tethered Systems dargestellt. Es ist erkennbar, dass sich ein zweer Stromrückpfad ergibt, nämlich über die Stromversorgung des Gerätes. Normalerweise ist dies ein sehr guter und niederohmiger Stromrückpfad. Allerdings kann je nach Auslegung des internen Netzteils des Gerätes dieser Strompfad unterschiedlich gut ausgeprägt sein. Vor allem Geräte m preiswerten Schaltnetzteilen, oder m galvanisch getrennten Netzteilen bereen häufig Probleme. Krisch ist auch die Einkopplung von Störungen in das PCAP System über genau diesen Strompfad. Betrachtet man Abbildung 3 genauer, kann man sofort weere wichtige Fragen für einen guten Stromrückpfad ableen: - Wie wird das Erdpotential im internen Netzteil des Gerätes behandelt? - Ist die Niederspannung nach dem internen Netzteil vom Erdpotential isoliert? - Wie wird diese Niederspannung im Gerät weer verteilt? Sind weere Spannungsregler oder Potentialtrennungen nach dem internen Netzteil vorhanden? - Hat das Gerät ein Metallgehäuse, das entweder direkt, oder kapaziv m dem Erdpotential verbunden ist? - Gibt es andere Pfade, die das Erdpotential im Gerät beeinflussen können, wie zum Beispiel Ethernet Kabel, CAN- oder USB-Anschlüsse an ein Rechensystem? Gerade industrielle Applikationen, wie HMI-Steuerungen, befinden sich oft in Werkhallen oder Produktionsbereichen, in denen weere industrielle Maschinen oder Antriebe laufen, die die Netzqualät beeinflussen. Diese Störungen gelangen über die Stromversorgung in das PCAP Gerät und haben einen erheblichen Einfluss auf das Signal-Rauschverhalten. Für eine gute Touch- Performance ist immer ein kurzer, niederohmiger und m wenigen Störungen belasteter Stromrückpfad notwendig.

7 Diesen Herausforderungen kann man durchaus m leistungsstarken Signalverarbeungsroutinen im Touch Controller entgegen treten. DATA MODUL beispielsweise verwendet m der easytouch Produktfamilie ausschließlich ICs der maxtouch Serie von ATMEL. Durch zahlreiche EMV- und Anwendungstests konnte bewiesen werden, dass es sich hier um leistungsstarke PCAP Controller handelt, die bedenkenlos im industriellen Umfeld eingesetzt werden können. Auch getreu dem Motto Right the first time betrachtet DATA MODUL alle seine easytouch Projekte im Vorfeld in ihrer Gesamthe. Dam werden beres in der Designphase potentielle Gefahren für ein schlechtes SNR erkannt und beseigt. PCAP Systeme, die gut funktionieren, wurden von Anfang an in Hardware und auch in Software als solche geplant und entworfen. Die Frage, ob der design-out resistiv design-in PCAP Ansatz wirklich zielführend für ein Touchsystem ist, beantwortet sich abschließend von selbst. Wird ein resistiver Touch einfach durch einen PCAP Touch ersetzt, wird kein optimales System geschaffen und die Bedienbarke leidet unter einer schlechten Touch-Performance. Autoren: Dipl.-Ing. Alexander Trica, Entwicklungsingenieur easytouch DATA MODUL B.Eng. Markus Hell, Produkt-Marketing easytouch DATA MODUL Leratur: ATMEL Application Note QTAN0061