Kapazitive Folientastaturen

Fortschrittliche Eingabetechnologie ohne mechanische Tasten

Kapazitive Folientastaturen erfassen eine Eingabe durch Berührung statt durch mechanisches Betätigen einer Taste. Unterhalb der Bedienoberfläche befinden sich kapazitive Sensorflächen, die eine Veränderung der elektrischen Kapazität erkennen und als Schaltsignal auswerten. Dadurch können Bedieneinheiten mit einer weitgehend geschlossenen und ebenen Oberfläche realisiert werden.

Neben einzelnen Touch-Tasten lassen sich auch Slider und Wheels in die Bedienoberfläche integrieren. Damit bietet die kapazitive Technologie zusätzliche Möglichkeiten für das Tastaturdesign von Folientastaturen und die Gestaltung moderner HMI-Bedieneinheiten.

Da für die Betätigung keine Metallschnappscheiben oder andere mechanisch schaltenden Elemente erforderlich sind, unterscheidet sich auch das Bediengefühl von einer klassischen taktilen Folientastatur. Eine fühlbare Rückmeldung kann bei Bedarf durch andere konstruktive oder elektronische Maßnahmen ergänzt werden.

Bei der Entwicklung müssen insbesondere Sensorlayout, Material und Dicke der Bedienoberfläche, Empfindlichkeit der Sensoren sowie die spätere Einbausituation aufeinander abgestimmt werden. Auch Umwelteinflüsse und die gewünschte Bedienung – beispielsweise mit Handschuhen – sollten bereits bei der Planung und Konstruktion der Folientastatur berücksichtigt werden.

In diesem Beitrag zeigen wir, wie kapazitive Folientastaturen funktionieren, welche Gestaltungsmöglichkeiten sie bieten und welche konstruktiven Aspekte bei der Entwicklung zu beachten sind.

Funktionsweise und technischer Aufbau

Kapazitive Folientastaturen reagieren nicht auf einen mechanischen Tastendruck, sondern auf eine Veränderung der elektrischen Kapazität. Nähert sich ein Finger der Sensorfläche bzw. berührt die Bedienoberfläche, verändert sich das elektrische Feld. Diese Veränderung wird von der Elektronik erfasst und als Eingabe ausgewertet.

Unterhalb der Bedienoberfläche befinden sich dafür leitfähige Sensorflächen und Leiterstrukturen. Die oberste Schicht bildet typischerweise eine bedruckte Dekorfolie. Abhängig von der Konstruktion können auch Kunststoff oder Glas als Bedienoberfläche eingesetzt werden.

Der genaue Schichtaufbau hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Sensorflächen, Leiterstrukturen, Isolations- und Klebeschichten sowie die mechanische Trägerschicht müssen so aufeinander abgestimmt werden, dass eine zuverlässige Touch-Erkennung gewährleistet ist. Einen Überblick über die grundlegenden Schichten finden Sie auch in unserem Beitrag zum Aufbau einer Folientastatur.

Kapazive Folientastatur Leiterstruktur mit Sensorflächen und gedruckten Leiterbahnen
Gedruckte Leiterbahnen und Sensorflächen für präzise kapazitive Eingaben
Schichtaufbau einer kapazitiven Folientastatur mit Dekorfolie, Sensorfolie und Trägerschicht
Mehrschichtiger Aufbau für präzise kapazitive Eingaben

Einfluss von Material und Materialstärke auf die Touch-Funktion

Ein wesentlicher konstruktiver Faktor ist der Abstand zwischen Finger und Sensorfläche. Mit zunehmender Materialstärke der darüberliegenden Bedienoberfläche verändert sich die messbare Kapazitätsänderung. Sensorgröße und -geometrie sowie die Empfindlichkeit der Auswerteelektronik müssen deshalb auf das verwendete Frontmaterial abgestimmt werden.

Neben der Materialstärke beeinflussen auch die elektrischen Eigenschaften des Materials die Sensorfunktion. Die Auswahl der Dekorfolie und des Frontmaterials sollte daher nicht ausschließlich nach optischen und mechanischen Kriterien erfolgen.

Die Feinabstimmung kann über den eingesetzten Touch-Controller bzw. Mikrocontroller erfolgen. Über die Firmware lassen sich beispielsweise Empfindlichkeit und Schaltschwellen an die konstruktiven Gegebenheiten und Einsatzbedingungen anpassen.

Entscheidend ist dabei nicht eine möglichst hohe Empfindlichkeit, sondern eine zuverlässige Erkennung beabsichtigter Eingaben bei gleichzeitiger Vermeidung unerwünschter Auslösungen.

Slider und Wheels als kapazitive Bedienelemente

Neben einzelnen Touch-Tasten können kapazitive Folientastaturen auch mit Slidern und Wheels ausgestattet werden. Slider ermöglichen die kontinuierliche Eingabe entlang einer linearen Sensorfläche, während Wheels eine entsprechende Eingabe entlang einer kreisförmig angeordneten Sensorstruktur ermöglichen.

Damit können beispielsweise Sollwerte, Menüpunkte oder andere veränderliche Parameter eingestellt werden, ohne zusätzliche mechanische Bedienelemente integrieren zu müssen.

Die Auslegung von Slider und Wheel sollte bereits bei der Entwicklung des Sensorlayouts berücksichtigt werden. Größe, Geometrie und Anordnung der einzelnen Sensorbereiche beeinflussen dabei die spätere Erfassung der Fingerposition.

Kapazitive Folientastatur mit Slider und Wheel Bedienelementen zur berührungslosen Steuerung
Intuitive Touch-Bedienung mit kapazitiven Schiebereglern und Drehfeldern

Technische Richtwerte kapazitiver Folientastaturen

Für die technische Auslegung einer kapazitiven Folientastatur sind neben dem Sensorlayout auch die Anforderungen an Lebensdauer, Temperaturbereich, Schutzart und Betriebsspannung relevant. Abhängig vom konkreten Aufbau können beispielsweise folgende Werte realisiert werden:

ParameterTypischer Wert
Lebensdauer> 1 Mio. Betätigungen
Betriebstemperatur–40 °C bis +85 °C
SchutzartIP65 oder höher
Betriebsspannung1,8–3,3 V

Vorteile und typische Anwendungen

Kapazitive Folientastaturen ermöglichen eine geschlossene und weitgehend ebene Bedienoberfläche, da für die Touch-Erkennung keine mechanische Bewegung der Taste erforderlich ist. Das erleichtert die Reinigung und bietet konstruktive Vorteile bei Anwendungen, bei denen eine geschlossene Bedienoberfläche gefordert ist.

Durch die Kombination von Touch-Tasten, Slidern, Wheels und integrierter Beleuchtung können unterschiedliche Bedien- und Anzeigeelemente innerhalb einer Oberfläche zusammengeführt werden. Auch Dead-Front-Effekte sind möglich, bei denen Symbole erst im beleuchteten Zustand sichtbar werden.

Typische Einsatzmöglichkeiten finden sich beispielsweise in industriellen Bedieneinheiten, medizinischen Geräten, Laborgeräten und anderen HMI-Systemen, bei denen eine geschlossene Bedienoberfläche und flexible Gestaltung gefragt sind.

Kapazitive Folientastatur mit Glasoberfläche und Touch-Bedienfeldern
Modernes HMI-Interface mit berührungsempfindlicher Oberfläche

Herausforderungen bei kapazitiven Folientastaturen

Die berührungsbasierte Bedienung stellt gleichzeitig besondere Anforderungen an die technische Auslegung. Im Gegensatz zu Tasten mit Metallschnappscheiben entsteht bei einer rein kapazitiven Taste kein mechanisch erzeugter Druckpunkt.

Je nach Bedienkonzept kann deshalb eine zusätzliche optische, akustische oder haptische Rückmeldung sinnvoll sein. Beispielsweise können LEDs den erkannten Schaltzustand anzeigen oder Vibrationsaktoren eine erfolgte Eingabe signalisieren.

Auch Handschuhbedienung, Feuchtigkeit und unbeabsichtigte Berührungen müssen bei der Auslegung berücksichtigt werden. Sensorlayout, Empfindlichkeit und Auswerteelektronik sollten deshalb immer auf die tatsächlichen Einsatzbedingungen abgestimmt werden.

Kapazitive Bedienfelder können außerdem mit Displays kombiniert werden. Mehr zu solchen kombinierten HMI-Lösungen findet sich im Beitrag zu Folientastaturen mit Touchscreen.

Flexible kapazitive Folientastatur mit gebogener Oberfläche und integrierten Touch-Bedienelementen
Innovative HMI-Lösung für gebogene und ergonomische Bedienoberflächen

Kapazitive Folientastaturen anwendungsspezifisch auslegen

Ob eine kapazitive oder eine klassische taktile Folientastatur die geeignete Lösung ist, hängt vom Bedienkonzept, den Umgebungsbedingungen und den konstruktiven Anforderungen der Anwendung ab. Kapazitive Systeme bieten insbesondere Vorteile, wenn eine geschlossene Bedienoberfläche mit Touch-Tasten, Slidern oder Wheels realisiert werden soll.

Entscheidend für eine zuverlässige Funktion ist die Abstimmung von Frontmaterial, Materialstärke, Sensorlayout, Elektronik und Firmware. Diese Faktoren sollten deshalb bereits bei der Planung und Spezifikation der Folientastatur berücksichtigt werden.

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