Az MoC-alapú érintésérzékelő rendszer alapja lehet a Microchip Technology kínálatából elérhető mTouch kapacitív szenzor és a hozzá társított elektronika és szoftver. A különbség az MoC-alapú rendszereknél, hogy a felhasználó ujja vezető targetréteggel kerül kiváltásra, amelyet vékony térköztartó beiktatásával függesztenek a kapacitív érintésérzékelő szenzor fölé. Ha a felhasználó megnyomja a targetet, az finoman, 10 µm-nél kisebb mértékben deformálódik a szenzor irányában, és mérhető változást eredményez a szenzor kapacitásában. Az elektronikai hardverre és szoftverre egyaránt támaszkodó, kapacitív érintésérzékelő interfész méri a kapacitásban bekövetkező változást, és jelenti azt a rendszer felé.
Ez az elrendezés azt is jelenti, hogy a szenzor elektromosan el van szigetelve a környezettől, amely nagymértékben csökkenti a zaj, a közelterek és az áthallás problémáit. A földelt target roncsolásmentes útvonalat biztosít az elektrosztatikus energia számára. A szenzor környezettől való elszigeteltsége kiküszöböli a vízzel kapcsolatos problémákat is. Mivel a szenzor működtetéséhez fizikai erőre van szükség, a rendszer ideális Braille-
alkalmazásokra, valamint olyan esetekre is, ha a felhasználó kesztyűt visel. Végezetül, a fémborítás a végterméknek komolyabb megjelenést kölcsönöz.
A szenzorrendszer megépítése
MoC-alapú szenzorrendszer építéséhez szükség van egy standard kapacitív szenzorra, a szenzor felett egy lyukkal ellátott térköztartóra, valamint egy vezető szerelvényfalra és targetre. Az 1. ábra egy MoC-alapú szenzor tipikus felépítését szemlélteti. Ebben az elrendezésben a target szolgáltatja a kapacitív szenzor második rétegét és azt a rugalmasságot, amely a réteg a szenzor elengedése után eredeti pozícióba való visszatérését valósítja meg.
1. ábra. Egyrétegű, MoC-alapú kapacitív szenzor tipikus felépítéseAz ún. szerelvényfal-előlap a szerelvény legfelső rétege, amelyet ellátnak a nyomógomb üzemeltetéséhez szükséges, felhasználónak szóló jelölésekkel. A target az elektromos vezetőréteg, amely a szenzor kondenzátorának második, vezetőfelülete. Ezek ketten együtt szolgáltatják a felhasználó számára az információt, a szenzorkondenzátor második, földelt rétegét, valamint a nyomógomb mechanikus rugalmasságát.
Az előlapként működő szerelvény anyaga helyes megválasztásának főbb sarokpontjai: a nyomógomb lenyomásához szükséges erő nagyságra, a küllemmel kapcsolatos elvárások, a környezeti tényezők, valamint a háttérvilágítás szükségessége. Ajánlott a legtöbb esetben az előlapot és targetet egy egységként kezelni, mivel ezeknek a megfelelő működéshez szoros összhangban kell működniük.
A legegyszerűbb implementáció egy szimpla fémréteget tartalmaz, amely egyben az előlap és a target szerepét is betölti. Az előlapi réteg lehet a fémtargeten lévő, jelöléseket tartalmazó réteg vagy a targethez rögzített nyomtatott film is. Az egyrétegű fém biztosítja a szükséges mechanikai rugalmasságot a nyomógomb számára, egyben a földelt második réteget is a szenzorkondenzátor számára. Az 1. ábra egy ilyen elrendezést szemléltet.
A működtetéshez szükséges erőt az előlap és target fémrétegének vastagsága, a nyomógomb mérete, az alkalmazott fém rugalmassági jellemzői, valamint az előlap és target hátoldali megmunkálása határozzák meg. Ezek közül a legnagyobb súllyal a gomb mérete és az anyagvastagság esik latba. A működtetéshez szükséges erőt illetően jelentős súlyú tényező az előlap és target fémjének rugalmassága.
A rozsdamentes acél például rugalmas, de közel sem annyira, mint a repülőgépeknél használt alumínium. Ez utóbbinak viszont a folyási határa alacsonyabb, ezért érzékenyebb arra, ha túlságosan nagy működtetési erőt alkalmaznak a használat során. Az anyagválasztás során tehát láthatóan kompromisszumot kell kötni a szükséges rugalmasság és a működtetéshez szükséges erő között.
A megjelenést illetően a mai bevonatkészítő és megmunkálási technológiák a fémek esetében gyakorlatilag bármilyen küllemet kölcsönözhetnek, legyen szó akár gránitról vagy fáról. A fém előlap felülete egyéb anyagokkal egészében vagy részben szintén ellátható, teljesen egyedi kialakítást és megjelenést adva. Az eloxált alumínium felületére ráadásul fényképminőségű ábrákat is lehet nyomtatni.
A környezetet illetően a két fő szempont az ellenállóság a kopással és a vegyi anyagokkal (többek között a vízzel) szemben. A rozsdamentes acél ellenáll a legtöbb tisztítószernek és a víznek is, továbbá ellenálló a kopással szemben is. A hagyományos acélról ez nem mondható el, mert rozsdásodásra hajlamos és érzékeny a vegyszerekre is, kopásállósága is mérsékeltebb. Az eloxálásnak hála, az alumínium kopásállósága remek, viszont polimer bevonat híján foltosodhat.
Sok tervező azért fordul el a fém előlaptól, mert tévesen úgy hiszi, hogy háttérvilágítással nem látható el. Ez természetesen nincs így, jóllehet egy kicsivel költségesebb, mint a polimer előlap esetében. Fém előlapnál a háttérvilágítást úgy valósítják meg, hogy szelektíven perforálják a fémet és kitöltik a por- és nedvességállóságot biztosító polimerrel.
Műanyag előlap fémes targetréteggel
Az implementáció második legegyszerűbb módja a műanyag előlapi réteg kombinációja szitanyomtatással vagy gőzfázisban felvitt, fémes targetréteggel. Az egyrétegű, fémes konstrukcióhoz hasonlóan itt is a műanyag előlap biztosítja a felületet a jelölések számára, valamint a rugalmasságot a nyomógomb működtetéséhez. Az előlap alsó rétegére felvitt fémezés adja a földelt második lemezt a szenzorkondenzátor számára (lásd 2. ábra).
2. ábra. Egyrétegű, MoC-alapú kapacitív szenzor felépítése műanyag előlapi réteggelA gomb megnyomásához szükséges erőt elsődlegesen a gomb mérete és a hátoldali kialakítás közötti viszony határozza meg, de függ az alkalmazott műanyag vastagságától és rugalmasságától is. Minél kisebb a gomb mérete, és minél vastagabb az anyag, annál nagyobb a működtetéséhez szükséges erő. A rozsdamentes acél és az alumínium egyaránt relatív merev a műanyaghoz képest, ez pedig vastagabb előlap és target használatát is lehetővé teszi, változatlan működtetési erő mellett. A műanyag toleránsabb a hajlítással és egyéb behatásokkal szemben, így jobban ellenáll a visszafordíthatatlan deformációnak.
A fémekhez hasonlóan a modern szitanyomtatásos és bevonatkészítő technológiákkal a műanyagoknál is gyakorlatilag tetszőleges felületi jelleg valósítható meg. Megoldható az esztétikai és jelölési célokat szolgáló, fémmel történő szelektív kiképzés is.
A műanyagot érintő jelentős probléma az optikai tisztaság biztosítása nagyobb vastagságnál. A poliészterekkel adódhatnak gondok ilyen téren, ám a szenzoroknál jellemzően használt vastagságoknál ettől általában nem kell tartani. A polikarbonátok és polietilének egyaránt jó optikai tisztasággal rendelkeznek, továbbá több ragasztóanyag is elérhető jó optikai tisztasági jellemzőkkel. A tervezésnél oda kell figyelni, hogy a műanyag és a ragasztó tisztasága megfelelő legyen, így elkerülhető a homályosság, elmosódottság.
Bár a vízállóság a műanyag előlapnál többé nem kérdés, a kopás- és vegyszerállóság annál inkább. Ezeken felül további problémát jelent a környezeti ártalmakkal szembeni állóképesség tekintetében az anyag hőmérséklet függvényében tanúsított méretbeli stabilitása. Ha az előlaphoz használt anyag számottevően eltérő mértékben reagál a hőmérséklet-változásra, mint a hozzáerősített anyagok, a ragasztó felmondhatja a szolgálatot, amely a gombnyomások téves vagy változó pontosságú érzékeléséhez, valamint jelentős, szenzorok közötti áthalláshoz vezethet. Az orvosi műszergyártás és az élelmiszeripar vonatkozásában problémát jelent a mikrobáktól eredő szennyezettséggel szembeni ellenállás kérdése. Jó hír, hogy a poliészter és polikarbonát opcionálisan ellátható anti-mikrobás bevonattal, amely mindkét érintett iparág követelményeinek megfelel. Ha a szenzor közvetlen napsütésnek kitett helyre kerül, célszerű lehet UV-állóságot biztosító bevonatot is kérni.
A nagy tisztaságú műanyagoknál a legegyszerűbb megoldani a háttérvilágítás kérdését. Ezek a műanyagok nemcsak kiváló hatékonysággal bocsátják át a fényt, de teljes hosszukban vezetik is azt, ezért oldalsó pozicionálású LED-ekkel a rendszer teljes felületén megvalósítható a háttérvilágítás. Ha fémes felületi bevonatot használunk, egyszerű maratásos folyamat segítségével kialakíthatók olyan nyílások, amelyekkel a tömör fémrétegekhez hasonló hatást segítenek elérni a háttérvilágítás tekintetében.
Műanyag/fém „ötvözet"
A harmadik lehetőség a megvalósításra a műanyag és fém kombinálása egy egyrétegű előlap/target konstrukcióban. A fémrétegmaratással vagy sajtolással alakítják ki, amely üres területet hagy a kapcsolók körül. Ezt követően fröccsöntés útján kerül a műanyag a konstrukcióba, kitöltve a hézagokat.
A műanyag/fém kombináció lényege és egyben egyik fő előnye, hogy a két anyagtípus pozitív jellemzőit egyesíti optimális elegyben. Az így előállított „ötvözet" örökli a fém kopásállóságát, a műanyag tisztaságát és fényáteresztő/fényvezető képességét, és a tiszta műanyagnál keményebb, a tiszta fémnél pedig lágyabb kapcsolási erőt valósít meg. Ez utóbbi egyébként viszonylag egyszerűen „hangolható" az ötvözet műanyag/fém arányának változtatásával, amely gombonként akár eltérő is lehet. A 3. ábra egy műanyag/fém ötvözettel kialakított előlap/target réteget mutat, amelyen a világosszürke színű részek alumíniumból, a sötétszürkék a szenzor körül pedig fröccsöntött műanyagból készültek.
3. ábra. Műanyag/fém ötvözettel kialakított előlap és targetMűanyag/fém ötvözet esetében a működtetési erőt ugyanazok az alapjellemzők határozzák meg, mint tisztán fém vagy műanyag esetében, az eredőt pedig a két anyag súlyozott mennyiségi átlaga adja ki (ez természetesen valahol a két véglet között lesz).
Sajnálatos módon a működtetési erő pontos kiszámítására szolgáló egyenlet erősen függ a szenzor geometriai jellemzőitől. Erre egy jól használható közelítést ad a tisztán műanyag, ill. tisztán fém-konstrukciók számításának átlaga. Célszerű kiszámítani külön-külön a műanyag és fém konstrukcióra a működtetési erőt, majd – figyelemmel a ténylegesen jelen lévő műanyag/fém arányokra – a két erő alapján az ötvözetnél érvényes működtetési erő származtatható. Ha az eredmény nem megfelelő, a műanyag/fém arányának változtatásával még mindig adott a lehetőség a finomhangolásra akár szoftveres úton a kapcsoló billenési határértékének átállításával.
Ezen implementációs típus talán legfontosabb mozgatórugója a szenzor külső megjelenéséhez köthető. A fém kiváló strapabíróságot, a műanyag pedig kellemes vizuális megjelenést, valamint optimális háttérvilágítási implementációs lehetőséget kínál. A modern szitanyomtatási és bevonatkészítési technológiákkal gyakorlatilag tetszőleges kinézet kölcsönözhető a szenzornak.
A műanyag/fém ötvözetnél tudni kell még, hogy a kopásállóság és a vegyszerekkel szembeni ellenálló képesség bonyolultabb kérdéssé válik. Nem elég ugyanis, hogy az alkalmazott fémnek és műanyagnak egyenként meg kell felelnie a környezet által támasztott követelményeknek, hanem az egymáshoz viszonyított összeférhetőségre és a ragaszthatósági jellemzőkre is gondolni kell. Ha például a fém hőtágulási együtthatója nagyobb, mint a műanyagé, extrém alacsony vagy magas hőmérsékleten por és nedvesség is beszivároghat a szenzor belsejébe, amint a fémsarkok elemelkednek a műanyagtól. Ha fordított a helyzet, vagyis a műanyag hőtágulási együtthatója magasabb a féménél, a szélsőséges hőmérsékleten a műanyag hőtágulása olyan deformációt okozhat a fémben, amely hibás kapcsolóműködtetésekhez vezet.
A háttérvilágítást illetően a műanyag biztosítja a szükséges fényvezetési tulajdonságokat. A háttérvilágítás kiterjed a nyomógomb funkciójára, valamint annak környezetére is, megkönnyítendő a felhasználó dolgát a használat során. A műanyag részek a tervezés során gyakran elszigetelődnek, így egyes részeknél egyedi megvilágításra is szükség lehet.
Összegzés
A különböző szenzortervezési technikák biztosítják a fejlesztők számára a kellő szabadságot a kor igényeinek megfelelő felhasználói interfészek kialakításában. Az anyagválaszték, a konfigurációs és tervezési lehetőségek több, különböző úton kombinálhatóak, így akár teljesen egyedi, az adott követelmények alapján esztétikai és műszaki szempontból is különleges gombsort alkothatunk. Ezek a módszerek a tervezőket arra is ösztönözhetik, hogy a hagyományos dobozformán kívül más formákban is gondolkodhassanak.
