Olemme tottuneet siihen, että kapasitiivisia ja resistiivisiä kosketuspaneeleja on kaikkialla. Usein pietsosähköinen ratkaisu olisi kuitenkin parempi.

Kirjoittaja Tom Houston on Aiton kaupallinen johtaja Hänellä on yli 20 vuoden kokemus liiketoiminnan kehittämisestä niin monikansallisissa yhtiöissä kuin startupeissa. Tomin alkuperäinen koulutus liittyy informaatiojärjestelmiin. Myöhemmin hän on valmistunut MBA:ksi Ulsterin yliopistosta.

Viime vuosina olemme kaikki tottuneet kosketusnappeihin, erityisesti kulutuselektroniikassa kuten matkapuhelimissa tai tableteissa. Useimmat näistä hyödyntävät kapasitiivista kosketustekniikkaa. Resistiivinen ja pietsosähköinen kosketus voi kuitenkin olla sopivampi valinta monissa sovelluksissa. Lisäksi viime aikaiset kehitysaskeleet ohjelmallisesti parannellussa pietsosähköisessä (SEP, software enhanced piezoelectric) kosketuksessa vie tätä joustavaa, kustannustehokasta tekniikkaa laajempaan käyttöön kestävämmissä (rugged) kosketusohjauksessa. Tämä artikkeli antaa yleiskuvan niistä päätekijöistä, joiden perusteella kosketustekniikka valitaan. Artikkelissa kuvataan myös uusimpia teknisiä kehityksiä, kuten esimerkiksi kasvavaa kiinnostusta lisätä haptinen palaute kosketusohjaimiin.

Miksi kosketus?

Pääsyyt valita mitä tahansa kosketustekniikka käyttöliittymään ovat suunnittelun vapaus, käyttökokemuksen parantaminen ja kustannussäästöihin pääseminen.

Perinteiset sähkömekaaniset kytkimet ovat heikko vaihtoehto kaikissa suhteissa. Niitä on tuhansia eri tyyppejä, mutta niiden yhdistäminen houkuttelevalla tavalla käyttöliittymäksi on vaikeaa ja aikaa vievää. Kun ratkaisu on kerran suunniteltu, on hyvin vaikeaa luoda erilaisia ohjauspaneelin variantteja, tai muuttaa suunnittelua. Usein kytkin osoittautuu elektroniikkajärjestelmän epäluotettavimmaksi komponentiksi, erityisesti jos järjestelmää käytetään vaikeissa olosuhteissa. Ja pitää muistaa, että sähkömekaaninen kytkin on kallis ja epäelegentti ratkaisu elektroniikkapiirien kytkemiseen. Täytyy porata reikiä, usein vaaditaan manuaalista kokoonpanoa, ja paneelin suojaaminen kosteudelta ja muilta epäpuhtauksilta muodostaa suuria haasteita suunnittelulle.

Aiempi edullinen vaihtoehto: resistiivinen kalvokytkin

Resistiivinen kosketuskytkin koostuu kahdesta johtavasta kalvosta, joiden välissä on eristävä kerros. Yksittäiset kytkimet määritellään tekemällä reikiä eristävään kerrokseen (spacer), joiden ansiosta johtavat kerrokset tulevat kontaktiin kun sormella tai stylus-kynällä painetaan niitä yhteen. Koska kontaktin syntyminen edellyttää 0,1-0,5 millin mekaanista liikettä, rakenteen pintapaneelin täytyy olla aika joustava, mikä rajoittaa käytettävien materiaalien määrää. Rakenteessa voidaan käyttää muovisia tai metallisia kupuja, joilla saadaan mukaan tuntoaistimus, mutta tämä voi kasvattaa vaadittavan liikkeen pituutta aina milliin asti. Tämä lisää mekaamisen kulumisen ongelmia, mikä muuttaa kytkinten tuntua ajan myötä.

Kapasitiivinen kosketus: ei mekaamista liikettä mutta muita rajoituksia

Viime vuosina matkapuhelimet ja tabletit ovat luoneet käyttöliittymien vallankumouksen, kun käyttöön on tullut erilaisia kapasitiivisen kosketuksen muotoja kosketusnäyttöjen ja -paneelien ohjaukseen. Kytkentäkohdat määritellään joko räätälöitynä kuviona tai X-Y-matriisina, jossa johtavat linjat ovat paneelin sisäpinnalla. Lasipintaisissa näytöissä käytetään läpinäkyvää indiumtinaoksidia eli ITOa. Kosketus havaitaan, kun käyttäjän sormi häiritsee ajurisignaalin generoimaa sähköstaattista kenttää. Tämä aiheuttaa kapasitiivisen kytkennän vastaanottaviin elektrodeihin tai maahan.

Herkkyys, nopeus, tarkkuus ja resoluutio, joilla aiottu kosketus rekisteröidään, ovat suunnittelun kompromisseja. Näihin ominaisuuksiin vaikuttavat kosteus tai muut epäpuhtaudet kosketuspinnassa. Toiminto heikentyy tai estyy, jos käyttäjällä on kädessään hanskat. Metallisia pintoja ei voi käyttää, joten todella kestäviä kosketuspaneeleja ei voi valmistaa. Myös epäjohdonmukainen vaste voi vaikeuttaa oikeanlaisen palautteen antamista käyttäjälle.

Pietsosähköinen nappi tuo joustavuutta suunnitteluun ja kestävyyttä kosketuspaneeliin

Pierre ja Jacques Curien 1880-luvun alkupuolella keksimää pietsosähköistä (eli painesähköistä) ilmiötä voidaan hyödyntää ylittämään sekä resistiivisen että kapasitiivisen koskestustekniikan rajoitukset. Lisäksi tekniikka voidaan ottaa käyttää kapasitiivista kosketusta edullisemmin.

Luonnon kvartsikiteet, Rochellen suola, turmaliini ja valmistetut keraamiset aineet kuten bariumtinanaatti ja PZT-komposiitti (lyijyn, zirkoniumin ja titaanin oksidien seos) tuottavat sähköä, kun niihin kohdistetaan mekaanista painetta sormella tai stylus-kynällä. Mekaaninen liike on alle yhden mikronin luokkaa, eli kertaluokkia pienempi kuin resistiivisissä kosketusnäytöissä.

Pietsokosketuskytkimen kerrosrakenne on esitetty kuvassa 1. Paneelin ylimpään kerrokseen kohditettu paine johdetaan pietsosähköisen elementin kautta, joka on johtavan foliokalvon ja piirikortin kuparikontaktien välissä.

Kuva 1. Pietsosähköinen materiaali on johtavien kerrosten välissä. Kun rakennetta painetaan, pietsokytkin taipuu.

Ylin kerros, konka käyttäjä näkee, on painettu, leimattu tai pakotettu vaadittavalla informatiolla, ja RoHS-yhteensopivat pietsosähköiset johtimet istutetaan eristävän kerroksen reikiin. Kerrosrakenne, joka yleensä vain lisätään piirikortin päälle, voi olla vain 0,3 milliä paksu.

Varhaisimmissa toteutuksissa pietsosähköiset napit kärsivät epäjohdonmukaisesta toiminnasta, joka aiheutui kohdistetun paineen muuttumisesta, pietsosähköisten materiaalien variaatioista ja lämpötilan rakenteeseen aiheuttamista muutoksista.

Käyttämällä Aito-piirin kaltaisia ratkaisuja nämä variaatiot kompensoidaan, minkä ansiosta voidaan toteuttaa vakaita ja luotettavia pietsosähköisiä kosketuspaneeleita, jotka toimivat jopa vaativissa olosuhteissa, joissa muut kosketustekniikat eivät toimi ollenkaan.

Kuva 2. Aito-piiri tuo täydellisen liitännän pietsosähköisen kosketuskytkinpaneelin ja muiden vastelaitteiden ja isäntäjärjestelmän välille.

Ohjainpiiri, jota kuva 2 esittää, toteuttaa seuraavat toiminnot:

1. Sieppaa pietsosähköiseen johtimeen kohdistetun paineen generoiman analogisen signaalin. Herkkyyttä säädetään vaihtelemalla kytkennän rajapistettä.

2. Kommunikoi isäntäprosessorin kanssa I2C- tai SPI-liitännän välityksellä.

3. Tuottaa joukon ulostuloja, joilla luodaan käyttäjälle palaute. Se voi olla ääni, visuaalinen ilmaisin (ledi) tai haptinen palaute eli fyysinen tuntemus.

Koska piiri havaitsee sekä painamis- että vapautushetken, voidaan myös kosketuksen kesto mitata. Tämä tarkoittaa, että jokaisella napilla voidaan toteuttaa kaksi eri funktiota, sillä "paina ja pidä pohjassa" tuottaa erilaisen vasteen. Kannattaa huomata myös, että haptinen palaute paikallistuu yksittäiseen nappiin ohjauspaneelissa ja värinätuntemus voidaan räätälöidä tunnistettavaksi palautteeksi.

Tämä Aito-tekniikka on saanut nimen SEP, ohjelmallisesti paranneltu pietso (Software Enhanced Piezo), ja yrityksistä muodostuva konsortio on muodostettu edistämään sitä. Konsortio löytyy osoitteesta www.sep-touch.org.

Yksi tärkeimpiä pietsosähköisten kytkinten etuja on suunnittelijoiden vapaus käyttää lähes mitä tahansa materiaalia - sähköisesti johtavaa tai eristävää - paneelin ulkopintana. Kytkinrakenteet voivat olla tasaisia tai kaartuvia, ja vaihtelevia paksuudeltaan. Tämä joustavuus antaa suunnittelijoiden mahdollisuuden luoda paneeleja, jotka sopivat teknisesti parhaiten kyseiseen sovellukseen, mutta ovat myös miellyttävämmän näköisiä lopputuotteessa. Pintamateriaali voidaan valita sen ympäristön mukaan, missä lopputuotetta käytetään. Tuote voidaan suojata kosteudelta, kemikaaleilta tai jopa säteilyltä, jos siihen on tarvetta. Kuva 3 esittää yhden sovellusesimerkin.

Kuva 3. Pietsosähköisen kosketuspaneelin pinta voi olla mitä tahansa materiaalia, myös ruostumatonta terästä, kuten vesihanan kuuman ja kylmän veden säätimissä.

Pietsosähköiset kytkimet saadaan suunnittelulla myös suoriutumaan sähköstaattisista purkauksista (ESD) ja toimimaan luotettavasti RF-häiriöiden lähesisyydessä. Nämä molemmat voivat aiheuttaa suuria ongelmia kapasitiivisille paneeleille. Pietso on myös energiatehokas ratkaisu: kapasitiivisten paneelien täytyy jatkuvasti tuottaa sähköstaattinen kenttä, kun pietsokytkimet generoivat oman signaalinsa kun ne aktivoidaan. Piiri ei kuluta tehoa ennen kuin syöte vastaanotetaan.

SEP-kehitystyökalut, joilla yksittäisten kytkinten herkkyys ja palaute käyttäjille räätälöidään, sisältävät laitedemonstraatio- ja evaluointipaketteja, PC-kehitystyökalut ja ohjelmistokirjastot, sekä kattavan dokumentoinnin. Ohjelmistokirjasto tukee Arduino-alustaa, joten kehittäjät voivat demota protojaan ennen kuin suunnittelevat omat sulautetut laiteratkaisunsa.

Laajempaan käyttöön

Jokaisella kosketustekniikalla on oma "sweet spottinsa", sovellus johon se on sopivin ja edullisin ratkaisu. Viime aikojen edistysaskeleet pietsosähköisten kosketusnappien - erityisesti SEP:n haptisen palautteen takia - osalta ovat viemässä tekniikkaa laajempaan käyttöön varsinkin sen tarjoavan suunnittelun vapauden ansiosta. Vapaus mahdollistaa sen, että tuotteet erottuvat toisista esteettisesti, muita fyysisesti kestävämpinä sekä kustannustehokkaina ratkaisuina.

Tämä video näyttää Aiton SEP-tekniikalla toteutetun pietsosähköisen paneelin luotettavuuden, vaikka paneelin päällä olisikin hieman vieraita aineita.