Parkfrust ade dank kapazitiver Touch-Technologie

Erstellt: October 3, 2021

Capacitive touch sensing keypad with finger pressed on button

Gelegentlich hat man das Gefühl, dass Parkscheinautomaten absichtlich vernachlässigt werden. Leute, die keine Lust haben oder nicht bereit sind, auf den Automaten zu warten, bis er ihnen den Parkschein aushändigt, bekommen dann noch mehr Strafzettel. Ich habe mich schon oft geärgert, wenn an einem Gerät die Tasten der Tastatur nicht mehr funktionierten und ich gezwungen war, eine funktionstüchtige Alternative zu suchen. In vielen Städten ist es schon schwierig genug, einen Parkplatz zu finden. Wieso können die Automaten dann nicht einfach funktionieren?

Mechanische Tastaturen unterliegen unweigerlich dem Verschleiß und Vandalismus (ich denke an meinen kleinen Cousin, der einmal, während er auf meinem Schoß saß, die Tasten „e“, „g“ und „v” aus meiner Computertastatur riss). Wenn ich mit der Entwicklung neuer Parkautomaten für Freiflächen betraut wäre, würde ich als Erstes in Erwägung ziehen, die mechanischen Tastaturen durch kapazitive Touch-Technologie zu ersetzen. Dies vermeidet mechanische Probleme und verleiht dem Automaten ein elegantes, anspruchsvolles Aussehen.

Was ist ein kapazitiver Berührungssensor?

Wie der Name schon sagt, basiert die kapazitive Berührungssensorik auf der kapazitiven Veränderung, die durch eine menschliche Berührung hervorgerufen wird. Die kapazitive Sensorik, einst eine Premium-Technologie, wird heute häufig in verschiedensten Elektronikprodukten eingesetzt. Smartphones, Tablets, im Grunde jeder Bildschirm, mit dem man durch Berührung interagieren kann, verwendet potenziell kapazitive Berührungssensoren.

In der Elektronik hat die kapazitive Berührungserkennung die herkömmlichen mechanischen Tastaturen für industrielle und kommerzielle Anwendungen verdrängt. Sicherheitszugangskontrollen, die eine persönliche Identifikationsnummer (PIN) erfordern, sind von mechanischen Tastaturen zu kapazitiver Touch-Technologie übergegangen. Das Gleiche gilt für Parkautomaten im Freien. Neuere Versionen sind mit kapazitiven Touchscreens ausgestattet, da diese weniger anfällig für Vandalismus und Umwelteinflüsse sind.

Das Prinzip der kapazitiven Tastsensorik, insbesondere bei Tastaturen, besteht darin, eine Reihe von Elektroden zu schaffen, die bei der Bedienung mit dem Finger interagieren. Diese Elektroden werden dann zu einem kapazitiven Touch Sensing Controller geleitet, wo die Kapazität gemessen und in digitale Werte umgewandelt wird. Die Elektroden erzeugen ein elektrisches Feld, dessen Kapazität sich durch die die Berührung verändert. Der kapazitive Messaufnehmer vergleicht dann die Kapazitätsänderungen mit der Basiskapazität, um zu entscheiden, ob ein gültiges Berührungsereignis stattgefunden hat.

Design kapazitiver berührungsempfindlicher Tastaturen

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung kapazitiver Touchscreen-Tastaturen besteht darin, das Leiterplattenlayout richtig zu gestalten. Auch wenn es auf den ersten Blick einfach erscheinen mag: Es gibt einige wichtige Überlegungen, die bei der Gestaltung zu berücksichtigen sind:

1. Werkstoff der Frontplatte: Die Leiterplatte, die die Elektroden aufnimmt, wird i. d. R. in das Gerätegehäuse eingebaut. Daher hat die Frontplatte, die die Elektroden von der Außenwelt abschirmt, selbst einen entscheidenden Einfluss auf die Empfindlichkeit der kapazitiven Berührungserkennung. Ein Gehäusematerial mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ermöglicht ein stärkeres elektrisches Feld und damit eine höhere Empfindlichkeit. Materialien wie Glas oder Kunststoff werden in der Regel bevorzugt, da sie eine hohe Dielektrizitätszahl aufweisen. Auch die Materialdicke wirkt sich direkt auf die Berührungsempfindlichkeit aus. Eine dünne Frontplatte bietet eine bessere Empfindlichkeit als eine dickere.

Glas mit hoher Dielektrizitätskonstante eignet sich besonders gut als Frontblende.
Glas mit hoher Dielektrizitätskonstante eignet sich besonders gut als Frontblende.

2. Formen und Größen: Kapazitive Berührungssensoren sind nicht in allen Formen und Größen sinnvoll. Ein runder Taster ist die beste Option, da er das stärkste elektrische Feld erzeugt. Formen mit Winkeln unter 90°, wie etwa ein Dreieck, sind nicht ideal, da die Empfindlichkeit in den Ecken höher sein kann und so ein nichtlinearer Erfassungsbereich entsteht. Darüber hinaus sind solche Abwinklungen auch anfälliger für elektromagnetische Interferenzen (EMI). Die Empfindlichkeit der Elektrode wird auch durch die Größe und die Dicke der Beschichtung beeinflusst. Je größer die Fläche im Durchmesser ist, desto besser ist die Erkennung. Das Gegenteil gilt für die Beschichtungsdicke. Mit zunehmender Dicke nimmt die Empfindlichkeit ab.

3. Leiterbahnen: Bei der kapazitiv-haptischen Sensorik geht es darum, analoge Signale in digitale Werte umzuwandeln. Dazu sind die Leiterbahnen für ein optimales Verhalten entsprechend zu gestalten. Sie stellen eine Erweiterung der Elektroden dar und sollten in Bereichen verlegt werden, in denen kein Körperkontakt möglich ist. Damit soll sichergestellt werden, dass die kapazitiven Veränderungen nur an der Elektrode selbst auftreten. Die Leitungungsstrecken sind so kurz wie möglich zu halten. Ferner sollte die Breite so gering wie möglich sein und ein ausreichender Abstand zueinander eingehalten werden. Sie sollten auch nicht in der Nähe anderer verrauschter Signale platziert werden, um Kreuzkopplung zu vermeiden.

4. Massefläche: Um die Leistung der kapazitiven Berührungserfassung zu optimieren, sind die Elektroden so zu gestalten, dass sie möglichst wenig durch Rauschen beeinträchtigt werden. Das Verlegen einer Massefläche um die Elektrode herum scheint daher eine logische Designentscheidung zu sein. Eine solide Massefläche erhöht jedoch die parasitäre Kapazität im Messfeld und vermindert die Empfindlichkeit. Aus diesem Grund ist ein schraffiertes Massepolygon die bessere Wahl, um ein Gleichgewicht zwischen Rauschimmunität und parasitärer Kapazität herzustellen.

Es ist wichtig, dass die Elektrodenleiterzüge dünn und kurz sind.
Es ist wichtig, dass die Elektrodenleiterzüge dünn und kurz sind.

Auch wenn Sie vermutlich nicht den Einfluss auf Ihre Stadtverwaltung haben, ihre Parkscheinautomaten zu erneuern: Sie können immerhin lernen, wie man Automaten herstellt, die effektiver arbeiten und besser aussehen als die klobigen und fehleranfälligen Maschinen, die bislang zum Einsatz kommen. Wenn Sie ein einfach zu bedienendes Layoutwerkzeug für Leiterplatten benötigen, das alles enthält, was Sie für die Herstellung hochwertiger, fertigungsgerechter Platinen benötigen, sind Sie bei CircuitMaker an der richtigen Adresse. Zusätzlich zu der benutzerfreundlichen PCB-Designsoftware haben alle CircuitMaker-Anwender Zugang zu einem persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium-365-Plattform. Sie können Ihre Designdaten in die Cloud hochladen und speichern, und Ihre Projekte ganz einfach per Webbrowser auf einer sicheren Plattform betrachten.

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