Projektarbeit "TDR for small touch-sensitive objects" (ursprünglich)

  • Beginn: 12.04.2011
  • Lernbedingte Pause: 08.05 - 20.05
  • Ende:

Aufgabenstellung

  • Ursprünglich: Ziel der Arbeit ist, die Eignung von TDR für sehr kleine berührungsempfindliche Objekte zu untersuchen.
  • Momentan: Konstruieren einer beweglichen, berührungsempfindlichen Fläche, bestehend aus einzelnen Platten

Todo:

  • Ende im Wiki dokumentieren
  • Genaue Aufgabenstellung (Focus der Arbeit) definieren
  • Teilaufgaben und Ergebnisse dokumentieren
  • Schlüssel f. Labor organisieren

Milestones

  • Einarbeitung in die physikalischen Grundlagen & geforderten praktischen Fähigkeiten zum fertigen von Prototypen:
  • Einarbeitung in Python und Sichtung des vorhandenen Codes
  • Bau verschiedener Prototypen und Demo-Anwendungen (abhängig vom endgültigen Thema der Arbeit)
    • Für sehr kleine Objekte: u.a. touch-sensitive Armbanduhr, Brillenrahmen, Ring, etc.
    • Für eine aus einzelnen Platten bestehende, berührungsempfindliche Oberfläche (siehe Notizen)
    • Messung der Sensorauflösung abhängig von verschiedenen Parametern, z.B. Grad der "Miniaturisierung", Entfernung und Größe von Leiterbahnen, Kurvenverlauf der
Leiterbahnen
  • Ggf. durchführen einer User Study (je nach Focus des Arbeit)

Notizen über bisherige Tätigkeiten

  • Bodenplatten (30 x 30 cm): Überprüfen ob verbundene Bodenplatten mittels des Kurvenverlaufs an der Anzeige des TDR Gerätes unterschieden werden können. Drei unterschiedliche Plattentypen sind vorhanden: Gerade, Linkskurven, Rechtskurven. Wie sich gezeigt hat resultiert aus der flächigen Konstruktion der Kurvenplatten, bzw. den unterschiedlichen Längen der Leiterbahnen auf diesen, bereits messbare Kapazitätsänderungen. Anhand dieser kann man bereits zwischen "Geraden" und "Kurven" unterschieden. Eine gezielte und präzise Anbringung kapazitätsändernder Leiterbahnen (z.B.) könnte diesen Effekt nutzen und auswerten um so die Anordnung der Platten zu bestimmen. (Problematisch sind die ungewollten Kapazitätsändeurngen in Kurven und an den Kontaktstellen zwischen den einzelnen Platten. Letzeres konnte durch mit den Leiterbahnen verlötete Magneten erheblich verbessert werden. Des weiteren ergaben sich nicht berühungsempfindliche Bereiche durch den recht großen Abstand zwischen den Leiterbahen.)

  • Entwerfen und fertigen eines weiteren Prototyps basierden auf den "grossen" Bodenplatten. Dabei handelt es sich um kleine Dreiecke (Kantenlänge 2,2 cm), welche mittels Mageneten an den Kanten verbunden werden. Leiterbahnen werden mit Alluminiumfolie aufgeklebt und verbinden die Magnetenpaare zweier Seiten eines Dreiecks. Die dritte Seite ist mit Magneten bestückt um die Stabilität einer flächigen Anordnung zu erhöhen.

Image-17.jpg

Die Platten können so zu verschiedenen, flachen, oder auch gewölbten berührungsempfindlichen Flächen angeordnet werden.

Kombinations_six.jpg

Ziel wäre es auch hierbei, dass die Anordnung der Platten anhand des Kurvenverlaufs am TDR-Gerät erkannt werden kann. (Problematisch ist hierbei die sehr kleine Dimensionierung, die ein leistungsfähigeres TDR-Gerät erforderliche machen würde, um diese kleinen Sprünge im Kurvenverlauf zu erkennen. Alternativ lässt sich dieses Ziel jedoch auch mittels einer Skalierung hin zur Größe der vorhergehenden Bodenplatten untersuchen. Ein weiteres Problem, das bereits bei den großen "Bodenplatten" ersichtlich wurde und hierbei noch mehr hervor tritt, ist die geringe Präzision der handgefertigten Stücke, welche inbesondere die Passgenauigkeit der Kontaktflächen verschlechtert.)

  • Erkenntnisse resultieren aus dem Prototypen der kleinen Platten (als Weiterentwicklung der Bodenplatten):
    • Problematisch:
      • Problematisch ist die Präzision mit der die kleinen Platten gefertigt sind. Das Ausschneiden der Platten mittels einer Blechschere und späteres nachbearbeiten mit Feile und Cutter hat sich als nicht präzise genug erwiesen, ebenso das herausschneiden und schaben der Aussparungen für die Magneten mittels eines Cutters. Dies führt dazu das die Winkel und Kantenlängen der Dreiecke, sowie die Aussparungen für die Magneten, leicht voneinander Abweichen, was bei einer Kantenlänge von 22 mm bereits Probleme bedingt:
        • Werden die Platten dann in einer Reihe hintereinander angeordnert kann dies in leichten Kurven resultieren. Die allgemeine Funktionalität ist dadurch noch nicht gefährdet, obgleich sich dies negativ auswirkt.

Line_merged.jpg

Ordnet man diese jedoch zu einer Fläche an zeigt sich, dass die Passgenauigkeit nicht hinreichend ist. Die meisten Platten grenzen dabei an zwei bis drei andere Platten an. Auf Grund der leichten Unterschiede haben dabei jedoch nicht alle Magnete an allen Kanten Kontakt. Aber gerade die Magneten an den Leiterbahnen bräuchten einen möglichst guten Kontakt um die Problematik der Übergänge zu reduzieren.

Bend_merged.jpg

        • Ein weiteres Problem ist der unpräzise Kurvenverlauf. Auf Grund der Erfahrungen mit den grossen Bodenplatten ist es bekannt das Kurven, insbesondere diese bei denen die Leitungen einer Bahn unterschiedlich lang sind, Refelktionen hervorrufen können und Messungen auf der Leitung jenseits der Kurve erschweren, oder gar unmöglich machen. Bei den kleinen Platten ergeben sich jedoch gleich mehrere Probleme. Zunächst mal sind auch hier die Leiterbahnen unterschiedlich lang (Unterschied zwischen innerer und äusserer Leitung). Auf Grund der unzureichenden Präzision ergibt sich jedoch noch eine weitere Problematik. Die Magneten und die sie verbindenden Leiterbahnen, sitzen nicht bei allen Platten exakt an der selben Stelle. Somit sind einerseits die Kontakte an diesem kritischen Abschnitt (Kurve) nicht fehlerfrei. Ferner ist der Kurvenverlauf nicht gleichmäßig. Kombiniert man mehrere Platten zu einer Kurve variiert der Abstand zwischen den jeweiligen Leiterbahen und dem Mittelpunkt (der Kurve) leicht. In Summe ergibt dies einen ungleichmäßigen Verlauf, der störende Reflektionen hervorrufen kann.
        • Ein Vorteil dieses modularen Protoyps wäre die Möglichkeit die Platten schnell und einfach, gemäß den jeweiligen Anforderungen, anzuordnen. Die Präzisionsproblematik verhindert dieses jedoch. Beim stückweisen kombinieren müssen die Platten, mit dem hinzufügen jeder Weiteren, auf Passgenauigkeit überprüft werden, oder gar komplett neu angeordnet werden bis man die gewünschte Form erreicht hat (falls diese mit den gegebenen Platten überhaupt konstruiert werden kann). Anstatt also einfach die gewünschte Anordnung zusammenzusetzen könnte man den Prozess eher als "try & error", oder simpel: basteln, bezeichnen. Der ursprünglich angedachte Vorteil ist somit nichtig und bestenfalls als nicht vorhanden anzusehen.
      • Auf Grund des "hohen Materialbedarfs" (insbesondere Magneten pro Platte) konnten nur 13 Platten hergestellt werden, was hintereinander gelegt in einer sehr kurzen Leiterbahen resultiert. Des weiteren ist es erfahrungsgemäss am hintere Ende einer Leiterbahn, auf Grund von Reflektionen durch den Kurzschluss der Bahn, nicht mehr möglich Berührungen fest zustellen. Ebenso wirken sich die zu unpräzisen Kurven negativ aus. Diese Faktoren resultieren darin, dass nur ein sehr kurzer Abschnitt überhaupt verwendet werden kann um die Funktionalität zu überprüfen. Bei gegebener Sorgfalt ist diese zwar gegeben, aber eben nur auf einem sehr kurzen Stück nachweissbar. Die Eignung des Protoyps bei einer grösseren Anzahl Platten, selber Qualität(!), bleibt fraglich.
      • Erwähnenswert ist, dass die Form der Magneten nicht geeignet ist um alle ursprünglich angedachten Anordnungn zu realisieren, was jedoch absehbar war. In zweidimensionaler (flacher) Anordnung stellt dies kein Problem dar. Das kombinieren der Platten zu gewölbten Flächen führt jedoch zu einer gewissen Instabilität welche gerade bei berührungsempfindlichen Oberflächen schlecht ist ("touch sensitiv, aber bitte nicht anlagen sonst fällts auseinander"), da die Magneten sich teilweise nur mit den Kanten berühren und die Magnetkräfte konstant Kraft aufwenden um die Flächen aufeinander zu fixieren. Eine bessers Lösung wären längliche Magneten, parallel zu den Leiterbahnen angeordnet, welche an den Ende abgerundet sind. Dies würde zwar die Kontaktflächen zwischen den Magneten verkleinern, sollte jedoch kein Problem darstellen falls ein stabiler Untergrund gegeben ist. Ferner wäre damit die Möglichkeit gegeben die Flächen besser zu wölben. Die Frage der Stabilität, auf Grund der geringen Kontaktflächen sollte dabei jedoch erneut untersucht werden.
    • Dennoch:
      • Im Gegensatz zur geringen Felxibilität, auf Grund der Form der Magneten, ist andererseits die gute Stabilität, bei flächiger Anordnung, ebenfalls erwähnenwert. Die Verbindung der einzelnen Platten mittels Magneten enlang aller drei Kanten erschweisst sich als relativ stark zusammenhängendes Netz. Entscheident ist hier der realtiv große Unterschied zwischen der Kraft die Aufgebracht werden muss um die Platten zu trennen und der Kraft die einwirkt wenn man mit einem Finger die berührungsempfindliche Leiterbahn entlang fährt. Wären diese beiden Kräfte änhlich dimensioniert würde die Gefahr bestehen das die Platten auseinander geschoben werden, wenn man mit dem Finger über die Oberfläche fährt. (Frage: resultiert das ganze in einem Abwiegen zwischen Stabilität und Flexibilität?).
      • Trotz diverser Probleme ist es ersichtlich, dass das Gesamtkonzept jedoch gut funktionieren könnte. Die Messergebnisse sind bei gegebener Sorgfallt recht zufriedenstellend, nach erheblichem Konfigurationsaufwand (zusammenstecke der Platten) sogar deutlich besser als die der großen Bodenplatten (man bedenke die geringe Grösse). Präziser gefertigte Teile (denkbar auch Platinen) und evtl. die Verwendung anderer Magenete (oder die Einschränkung der Möglichkeiten beim anordnen) sollte bereits ausreichen die vorhandenen(!) Probleme zu beheben.

Bend_ani_2.gif

Line_ani_2.gif

*Beide Animationen zeigen schematisch die Position der Beürhung auf der entprechenden Leiterbahn, sowie einen Screenshot des Bildes, welches von der Kamera am TDR-Gerät aufgezeichnet wird. Die senkrechten weissen Linien sind erkannte Berührungen.

      • Weitere Überlegung:
        • Ist es möglich auch hier Leiterbahnen und Magneten zu verlöten, bzw. würde dies eine Verbesserung bewirken? (Nein - löten nicht möglich! Die Temperaturen sind zu hoch für die Magneten, wodurch diese ihre Haftkraft verliehren würden)
        • Kontakt zwischen Platine und Magneten: Wenn die Magneten wieder in Aussparungen versenkt werden bleibt wieder die Fragte wie genau Kontakt zwischen Leiterbahn (auf der Oberfläche der Platine) und Magnete (der die Seitenkante berührt) hergestellt werden kann:
          • Möglichkeit 1: mit Aluminiumklebestreifen von Leiterbahen aus um den Magneten kleben. Selbes Prinzip wie bei den kleinen Platten. Um dann tatsächlich die Leterbahn entlangfahren zu können wäre eine Schutzfolie (o.ä.) nötig. Dies führt aber auch dazu das man immer leichte unebenheiten Entlang einer Leiterbahn hat. Letzteres würde den Gebrauch deutlich behindern, da man ständig mit dem Finger "hängen bleiben" würde und dabei wahrscheinlich die gesamte Konstruktion aus Platten verschiebt.
          • Möglichkeit 2: Leitfähiger Kleber so aufgetragen das Kontakt hergestellt wird. Führt jedoch dazu dass an den Übergängen zwischen Leiterbahn und Magnet kleine Erhebungen sind. (Ähnlich Möglichkeit 1)
          • Möglichkeit 3: Die Leiterbahnen laufen über die Seitenkante auf die Seitenkante in der Aussparung. Die Seitenkante (inklusive Leiterbahn) und der Magnet haben sozusagen direkten Kontakt. Leitfähiger Kleber verstärkt den Effekt und fixiert den Magneten. (Klingt am besten, problematisch: kann dies bei Platinen bereits mitgefertigt werden, z.B. über "Vias", welche zwei Seiten einer Platine verbinden, ähnlich einer Bohrung. Am besten hier: viereckig und zur Platinenkante (Aussparung für Magneten) hin offen gefräst)
          • Falls Durchmesser der Stabmagneten und Dicke der Platinen variieren: Sinnvoll ist nur: Magnetendurchmesser ist größer oder gleich gross zur Dicke. Wenn der Magnet kleiner ist besteht die Gefahr, dass kein Kontakt besteht, wenn die Platinen schräg aufeinader stehen (Sie wären einfach nicht groß genug um (Im Querschnitt) überall an der Aussparung die Platinenkante zu erreichen). Wie werden diese am sinnvollsten zusammenzukleben? Sollte der Magnet bei Ober- und Unterkante gleich weit über die Flächen der Platine herausragen? Besser wohl die Oberkante der Platine ist das Maß, wenn der Magnet dann einen größeren Durchmesser hat resultiert dies in einer Auswölbung auf der Unterscheite. So ist es möglich, beim Abfahren der Leiterbahen, über eine komplett ebene Oberfläche zu gleiten. Aber Vorsichtig: Wenn die Oberfläche und die Magneten auf einer durchgehenen Ebene liegen könnte (bei leichten Abweichen/"versinken" der Magneten) hier auch wieder die Gefahr bestehen, dass Platten keinen Kontakt herstellen können, wenn sie aufeinader geklappt werden!!!
          • Bei der gegebenen Grösse scheint es sinnvoll ein Gestell zu konstruieren um die Platinen und Magneten deutlich sauberer als bei den kleinen Platten zu verbinden. Denkbar wäre eine Teflon beschichtete Unterlage, auf der der Kleber selbst nicht haftet: Platine mit der Seite der Leiterbahen darauf gelegt. Anschließend wird leitfähiger Kleber in der Aussparung aufgetragen und zuletzt der Magnet in die Aussparung geschoben. (Dies ist ebenfalls mit z.B. einer Schutzfolie möglich welche anschließend mit einem Cutter ausgeschnitten wird und auf der Platine bleiben soll. Dies würde dann auch zusätzlich den Magneten fixieren.
        • Wie klein könnte man die Platten designen und macht eine weitere Miniaturisierung überhaupt Sinn? Generell ergibt sich das Problem das ein Anwender die Platten so anordnen und ggf. umsortieren müsste, dass sie eine "geschlossene" Leiterbahnen ergeben (Position von Anfang, Endstück und korrekte Ausrichtung der Zwischenstücke sind zu berücksichtigen). Dies könnte bei sehr kleinen Platten ein aufwendiger Vorgang werden, der viel Fingerspitzengefühl erfordert. Farbliche Markierungen, oder weiterhin erkennbare Leiterbahnverläufe wären mindestens erforderlich. Ferner ist die Verbindung der Platten ein kritischer Faktor. Magnete scheinen nach wie vor eine gute Lösung zu sein, denkbar wäre natürlich auch Druckknöpfe, o.ä.. Diese müssten dann jedoch auch in der geforderten Grösse verfügbar sein. Insbesondere handelsübliche Stabmagneten unterschreiten jedoch nicht eine gewisse Länge. (Zum Vergleich: bei den Platten mit Kantenlänge von 22mm sind bereits die Quadermagente an den Kanten nur 1-2 mm von einander entfernt) und Druckknöpfe erfordern bereits deutlich dickere Platten (bisher 2 mm, Platinen noch dünner). Die Frage nach dem Sinn/ Nutzen einer deutlichen Verkleinerung ist ebenfalls zu berücksichtigen. Die bisherige Größe zielt auf eine Berührung der Leiterbahen mit dem Finger und der damit einhergehenden Kontaktfläche, ab. Der Vorteil einer deutlichen Verkleinerung wäre es, dass man eine Berührung auf mehreren Leiterbahnen erfassen und somit theoretisch eine bessere Auflösung generieren könnte. Praktisch erfordert dies jedoch eine vielfach genauere Kenntniss des Leiterbahnverlaufs (abhängig von Grad der Miniaturisierung) und sehr präzise Leiterbahnen (insbesondere auch die Kontakte), welche an ein leistungsfähigeres TDR Gerät angeschlossen sind. Dies könnte sinnvoll sein, wenn die berührungsempfindliche Fläche mit einem kleineren Objekt berührt werden soll (z.B. einem Stift). Die kleinen Platten sind jedoch für einen Finger designed und die Eignung eines kleineren Objekt an sich (zur gezielten Kapazitätsänderung) ist (von mir) nicht erprobt (-> funktionierts?, ergeben sich evtl. ganz neue Probleme?).

  • Sache die getestet werden sollte: Leiterbahn parallel auf Ober- und Unterseite einer Platte. Also eine verzweigte Leiterbahn, nicht seperate Leiterbahnen. Unterschied (zum verdeutlichen) nur ein Magnetenpaar pro Kante an das beide Leiterbahne angeschlossen sind. Frage ist nur führt die Verzweigung zu Problemen, z.B. Reflektionen, oder gehts evlt. sogar besser? Also z.B. eine von beiden Seiten berührungsempfindliche Fläche.

Split_fabrication.jpg

    • Ergebnisse:
      • Kurvenverlauf: starker Anstieg vor und nach der eigentlichen Leiterbahnstrecke. Woher diese kommen und wie sich dies bei einer größeren Anzahl Platten auswirkt ist bisher unklar. Um dies genau heraus zufinden müsste man wahrscheinlich einen deutlich größer dimnesionierten Protoypen herstellen.
      • Generell: trotz recht schneller und qualitativ entsprechend schlechterer Verarbeitung sind Kontakte & Messwerte sehr gut. Was relativ erstaunlich ist wenn man die Kürze der Strecke und die bisherigen Erkenntnisse bedenkt (z.B. störende Reflektionen am Ende der Leiterbahn, sehr feine Auflösung beim erfassen der Berührungen).
      • Auf Tisch (bzw. in der Hand): saubere Messerwerte, gößerer Ausschlag bei beidseitigem Berühren, generell bis zu zwei Berührungen erkennbar (egal ob beidseitig, einseitig, oder Kombination), >2 Berührungen zu starke Überlagerungen um genaue Abgrenzung zu erhalten
      • Auf Bein mit Jeans: scheinbar führt dies nicht zu stärkeren Kapazitätsänderungen (leichte Kurvenveränderungen bei Bewegungen), obwohl sich der Kurvenverlauf ändert (auf Grund der Konstuktionsweise konnten die Platten nur bedingt angepresst werden), Berührungen weiterhin erkennbar - lediglich erste Platte schwacher Ausschlag, Multitouch immer noch möglich
      • Auf Haut: starke Veränderungen der Kurve (Konstante Veränderungen bei Bewegungen -> erkennen gleichzeitiger touches nicht möglich). Statisch (ohne Beweung des Arms) weiterhin touches erkennbar (jedoch: relativ schwacher Ausschlag)
      • Eindruck: insgesamt scheint die Aufspaltung der Leiterbahnen auf Unter- und Oberseite einer Platte die Performace zu steigern (deutlich sauberere Werte), dies hängt jedoch stark davon ab auf was für einem Untergrund die Platten benutzt werden. Für eine Nutzung auf einer ebenen Fläche, wie z.B. einem Schreibtisch, scheint dies sehr gut geeignet, was aber wohl auch am meisten Sinn macht, wenn man eine beidseitig empfindliche Fläche braucht. Einzig der ungewöhnliche Kurvenverlauf deutet darauf hin das dieses Konzept evtl. Schwächen enthält.

Split_Merged.jpg

  • Stabmagneten oder nicht?
    • Die Ergebnisse bzgl. Stabmagneten resultieren aus provisorischen Protoypen. Die verwendeten Magneten sind bereits vorhandene, welche nur tempörar verbaut werden sollten. Statt die Platten und Magneten fest zu verkleben sind diese deshalb nur mittels Klebenband fixiert, welches den Magnetkräften nur bedingt gewachsen ist. Die Verarbeitung erwies sich als relativ kompliziert und es konnten nur fünf Platten angefertigt werden. Bei Quadermagneten können einzelne Seiten eindeutig markiert werden um ihre Ausrichtung jederzeit kenntlich zu machen. Die abgerundeten Seiten der Stabmagneten sind jedoch eher schwer zu markieren, insbesondere da die Stäbe dazu tendieren sich mit den geraden Stirnseiten zu verbinden. Erschwert wird dies durch die kleine Größe und die relativ starken Magnetkräfte. (Sollten sich Stäbe druchsetzen sollte recht viel Sorgfallt in die Konstruktion eines Gestells zum verkleben gesteckt werden.)
    • Stäbe parallel zu Kanten:
      • Werden die Stäbe parallel zum Kantenverlauf angebracht ist die Beweglichkeit erwartungsgemäß sehr gut. Da die Magneten mit den abgerundeten Bereichen aufeinader liegen sind sie entlang der Kanten sehr bequem und einfach gegeneinander zu kippen.

Stabmagnetentest.jpg

      • Fraglich bleibt wie stabil eine Fläche wäre. Mit den vorhandenen Stabmagneten konnten insgesamt nur fünf Platten gebaut werden. Dies reicht jedoch nicht aus um eine Fläche zu legen die repräsentativ für ein größeres Geflecht wäre. Die Problematik ist hier gerade der große Vorteil der guten Beweglichkeit. Beim Prototyp mit den Quadermagneten wurde die gesamte Fläche sehr gut in der Ebene zusammengehalten. Dies könnte auch bei Stäben funktionieren, ist jedoch nur eine Vermutung. Die "Gefahr" besteht hier einfach das sich die Fläche extrem unhandlich ist und bei zu starker Wölbung die Magneten, von gegenüberliegeden Enden der Fläche, miteinander verbinden und evtl. eine Kettenreaktion bewirken. Die Fläche wäre dann zusammengefalltet und die Leiterbahen nicht mehr sauber ausgelegt.
    • Stäbe parallel zu Leiterbahnen:
      • Welcher Vorteil überhaupt noch nachdem Platinen mit entsprechen Features verbaut werden sollen? Abgerundete Enden bieten noch mehr Bewegungsfreiheit (bleibt aber dabei mehr Freiheit kann auch mehr Probleme bringen - schließlich solle ja eine gewisse Stabilität vorhanden sein). Ausserdem scheint keiner der Onlineshops für Magneten Stabmagneten mit abgerundeten Köpfen zu haben -> bestenfalls also teure Sonderanferigung.
      • Verlöten nicht möglich und auch nicht nötig auf Grund der Verwendung von Platinen mit Leiterbahnen, welche über die Kante auf die Seitenflächen einer Platte reichen
      • Die bräuchten deutlich gößere Platten, sowie andere Maße und Verhältnisse. Dies führt dazu das sich evtl. "tote" Bereiche ergeben, da die Leiterbahnen hier ja deutlich weiter auseinader liegen werden.

  • Kleine Platten aus Platinen:
    • Einarbeiten in Eagle (besser gesagt überhaupt etwas zurecht kommen). Programm das eigentlich zum erstellen von komplexen Platinenlayouts gedacht ist.
    • Erstellen eines ersten schematischen Layouts (fehlerbehaftet)
    • Dank Hilfe von Raphael Wimmer wurde ein weiteres Layout erstellt:

Layout_3_Screenshot_simple.jpg

    • Layout wurde im PCB Forum gepostet (http://www.pcb-forum.com/en/forum/7-Technik/4219-Kontakte-an-Seitenfl%C3%A4che.html) um insbesondere die technische Machbarkeit zu erörtern. Problematisch ist hier das die Leiterbahnen auf der Platine über die Kante hinweg auf die Seitenfläche verlaufen sollen (wo Kontakt mit den Magneten hergestellt wird). Die meisten Anbieter produzieren jedoch lediglich runde durchkontaktierte Löcher, als Annäherung an den gewünschten Leiterbahnverlauf. Lösung wäre hier ein durchkontaktiertes Langloch entlang der Plattenkante. Beim trennen der Platten wird dieses dann der Länge nach zertrennt. Dabei würde eine durchkontataktierte Einbuchtung an der Kante entstehen (siehe Milling Layer).

Layout_3_Screenshot.png

    • Nach Antwort auf den Beitrag im pcb Forum wurde das Layout weiter überarbeitet (Datei im Anhang: Layout_8_incl__milling.brd (6 Platten gemerged), Layout_8_single_plate_incl__milling.brd (Einzelne Platte))

Layout_8_screen.jpg
      • Dimensions Layer: die gewünschte Fräskante. Zwei Vertiefungen pro Platte müssen direkt heraus gefräst werden, da diese nicht über Langlöcher realisiert werden. Da diese später jedoch ebenfalls mit Magneten bestückt werden, ist es nötig diese direkt in der Dimension Layer anzugeben.
      • Milling Layer: durchkontaktierte Langlöcher. Diese werden, soweit sie die Dimension Layer überlagern, ausgespart und entlang der Seitefläche wird Kupfer aufgebracht, womit Kontakt zwischen der Leiterbahn auf der Oberfläche und der Unterseite der Platine hergestellt wird.
      • Top Layer: Die auf der Oberseite verlaufenden Leiterbahnen, welche später mittels des TDR-Gerät berührungsempfindlich ist.
      • Bottom Layer: Kleine Ansätze von Leiterbahnen auf der unterseite der Platte. Somit sind die nötigen Leiterbahnen gegeben die ein durchkontaktiertes Langloch verbindet.

  • Platinen bestellen:
    • Links ins pcb Forum: http://www.pcb-forum.com/en/forum/7-Technik/4219-Kontakte-an-Seitenfl%C3%A4che.html
    • Wichtig scheint hier der Hinweiss "Bitte UNBEDINGT bei der Bestellung auf den "Layer Milling - Plated Slots" hinweisen." im letzen Absatz
    • Eagle Datein sind:
      • Layout_8_incl__milling.brd (6 Platten gemerged)
      • Layout_8_single_plate_incl__milling.brd (Einzelne Platte)
    • Bearbeitete Fotos zum Veranschaulichen sind:
      • Image47reworked2.jpg (perspektivisch)
      • image60reworked2.jpg (direkt von oben)

  • Platinen und Magneten sind da:
    • Erste Überraschung: alles deutlich kleiner und filigraner als erwartet, Magnetkräfte jedoch erstaunlich stark (btw. es werden Stabmagneten verwendet).
    • Um die Probleme des bisherigen Prototypes zu vermeiden wurde mit dem Lasercutter ein kleiner Rahmen für die Montage ausgeschnitten. In diesen Rahmen passen genau eine Platine und zwei zusammenhängende Magnetenpaare einer Seite. Es werden zwei Magneten mit dem Rahmen fest verklebt, diese dienen dazu das die Magneten an den Platinen immer gleich/richtig ausgerichtet sind. Legt man nun also eine Platine in den Rahmen so bedindet sich zwischen dieser und den mit dem Rahmen verklebten Magneten, noch genau Platz für die Magneten die an die Platine geklebt werden. Man muss sie nur in die Lücke legen, dank den beiden vorhandenen Magneten richten sie sich automatisch aus. Problematisch scheint dabei nur das hineinlegen zu sein, da die zu verklebenden und sehr kleinen Magneten sich auch gegenseitig anziehen. Eine nicht magnetische Pinzette sollte das Problem lösen. Ähm ... ja ... Plastikpinzetten sind auf jeden Fall nicht die Lösung, im Gegenteil sie sind zu weich und der erste Magnet ist schonmal auf "nimmer-wieder-sehen" davon gesprungen. Das wird wohl doch ein Problem: sehr kleine Magneten, Kleber, hohe Anforderungen an die Präzision und fehlendes Fingerspitzengefühl passen nicht so ganz.
    • Erster Klebeversuch gescheitert. Der selbst besorgte Kleber erweisst sich als in keiner Hinsicht ausreichend. Zwei "Versuche" wurde dazu durchgeführt:
      • Als erstes wurde die Haftkraft erprobt, dabei hat sich gezeigt das die Anweisung auf der Verpackung, dass man, für bessere Haftkraft, mit richtigem Kleber noch einmal "überkleben" soll, wohl eher ein Muss ist. Die Haftkraft entspricht in etwa Farbe (die ja auch einen gewisse Haftwirkung hat) und verklebt Teile fallen fast schon von selbst wieder auseinader. Nimmt man z.B. zwei miteinader verklebt Teile in die Hand kann man dies nur sehr vorsichtig und behutsam machen, verdreht man die Teile dabei löst sich die Klebestelle sofort. Auf keinen Fall ist die Haftkraft ausreichend um die Magnetkräfte auszuhalten.
      • Als zweites wurde die Leitfähigkeit erprobt. Dazu wurden zunächst drei Kupferstreifen verklebt und obwohl diese mehr oder weniger direkt aufeinder auflagen und sich teilweise berühren konnten, resultierte dies in nur sehr unzuverlässiger Leitfähigkeit. Ein weiterer Versuch bestand darin eine Linie auf einem Blatt Papier zu kleben. Diese war ca. 4mm breit und 5 cm klang und recht dick aufgetragen. Erst ab einer Entfernung von ca 6mm konnte jedoch überhaupt Leifähigeit gemessern werden, wenn auch nur sehr unzuverlässig. Keine Ahnung was andere leitfähige Kleber für Eigenschaften haben und die Anforderungen sind auch nicht so hoch, aber überzeugend sieht anders aus.
    • Insgesamt: 34Platinen (benötigen 204 Magneten) und 217 Magneten (13 Überschuss)

  • Kleber Haftkraft
    • Laut Anleitung sollte der Kleber 24 Stunden trocknen, da dies allerdings etwas lang wäre um ca 90 mal zu kleben versuche ich mal heraus zufinden ob es nicht auch möglich ist kürzere Zeit zu warten.
    • 1 Stunde und 15 Minuten nicht ausreichend
    • 2 Stunden geht auch nicht
    • 2 Stunden und 15 Minuten. Fraglich
    • 2 Stunden und 24 Minuten. Schon besser
    • 3 Stunden - Test mit Magnet: Wieder sehr gut verklebt. Hat gehalten vielleicht sollte man zu sicherheit die Zeitspanne gleich etwas erhöhen aber 3 Stunden sind scheinbar ausreichend um die Magnetkräfte auszuhalten.
    • 4 Stunden: gut und nicht zu sparsam verklebt -> ausreichend, (Dummer Art und Weise gibt es auch eine kleine Sauerei wenn man so viel Kleber verwendet wie nötig ist ...)
    • 21 Stunden haben auch nicht wirklich gehalten - könnte jedoch ein einzelner, schlecht-verklebter, Ausrutscher sein (siehe 24 Stunden ...)
    • 22 Stunden: Es scheint so das der Kleber sehr üppig aufgetragen werden muss um bessere Ergebnisse zu erzielen. - Letztes Ergebniss!
    • 24 Stunden Oder auch nicht anscheinend wird der Kleber extrem spröde nach dem aushärten. Dies könnte evtl. auch durch die hohen Temperaturen bedingt sein ...
    • 48 Stunden - Test mit Magneten: Bei sehr guter Verklebung hält der Kleber die Magnetkraäfte aus. Also ist es nur die Frage ab wann (<48h) ist der Kleber so weit ausgehärtet?
    • Wichtig: Nicht zu sparsam auftragen. Die beiden Tests mit den Magneten waren sehr gut verklebt/ deutlich besser als einige der andere Tests und haben deutlich besser gehalten.
    • Bei den anschließenden Tests (siehe Bewertungskriterien) sind immer wieder Magneten von den Platinen abgebrochen. Die reine Haftkraft des Klebers ist also nicht so überragend, insbesondere wenn man sie häufiger zusammen steckt und auseinander nimmt.

  • Leitfähigkeit des Klebers:
    • Test mit Bahnen auf Papier läuft
    • Test an aufgebrochenen Klebestellen sehr schlecht -> es braucht eine gewisse Dicke der Schicht
    • Bisher nur erkennbar das er leitet, aber nicht wie gut
    • Bei den Platinen hat sich gezeigt das die Leitfähigkeit des Klebers ausreichend ist

  • Anfangsstück
    • Um die Platinen besser testen zu können wurde ein Anfangsstück entworfen. Dieses verbindet das TDR Gerät direkt mit der Leiterbahn, anstatt ein Kabel mit Klemmen anzuhängen.
    • Ein Ende des Kabels wurde mit einem BNC Stecker verlötet, das andere direkt an die Leiterbahn einer Platine.

IMG_2778.JPG

    • Vorteil ist einerseits das die Klemmen als potentielle Störquelle entfallen, andererseits haben die Klemmen es unmöglich gemacht haben die erste Platine ebenerdig hinzulegen was wiederum zu Störungen führen konnte.

  • Bewertungskriterien:

    • Leistungsverlust in geraden Stücken und Kurven. Kurvenverlauf unterschiedlich bei unterschiedlich vielen Tiles? "Berühungsausschlag" pro Länge (also Ausschlag am Anfang und Ende der Letierbahn, bzw. Unterschied der Ausschläge auf Grund von Leistungsverlust/Länge). Position der Kuve innerhalb einer Leiterbahn "verschieben" mit verschiedenen Kurven.

    • Möglichkeit die Länge der Leiterbahn anhand der Kurve zu bestimmen.

Result.png

    • Anzahl gleichzeitig erkennbarer Berührungen und minimale Abstände zwischen diesen.

    • Auflösung zwischen Berührungen. Positionsauflösung.

    • Ist es erkennbar welche Platte berührt wird.

    • Möglichkeiten dreidimensionale Objekte zu erzeugen.

  • Kurze Einführung in den Code, sowie Konfiguration der Kamera und Auswerung des aufgezeichneten Bildes. Anschließend selbstständiges sichten und nachvollziehen der Codes der Demo-Anwendungen als Einstiegshilfe.
    • Was für eine Anwendung könnte man basierend auf den kleinen Platten entwickeln, bzw. wozu könnte man sie verwenden?
      • Ein frei konfigurierbares Touchpad, das die eigene Anorndung selber erkennt
        • Problematisch: Endstück sollte immer Kurzschlussstück sein und erstes Stück sollte passende Kontakte für Leiterklemmen haben. Das "frei konfiguierebar" wird somit schonmal eingegrenzt.
        • Die Anordnung des Touchpads wird erkannt und die entsprechende Anwendung wird gestartet. Problematisch ist hierbei die automatische Erkennung - Robin Palleis Projektarbeit zielt genau auf diese Möglichkeit ab, scheint aber ziemliche Probleme mit der konkreten Umsetzung zu geben. Einzige Möglichkeit die bleibt wie ursprünglich angedacht: Platten an einer bestimmten Stelle markieren und somit Formgebung der Leiterbahn anhand des Kurvenverlaufs am TDR Gerät zu rekonstruieren. (Dies wird aber wahrscheinlich sehr kompliziert bei einer unbestimmten Anzahl an Platten und Ausschlägen die analysiert werden müssten.)
        • Was für eine Anwendung? (Musik kreieren, ein Spiel, Grafikprogramm,...)
      • Eine bewegliche/ felxible Fläche die berührungsempfindlich ist und auf diversen Objekten angebracht werden kann - zu optimistisch, evtl mit noch kleineren Platten, ausserdem wird damit die gedachte freie Konfigurierbarkeit doch sehr optimistisch ausgelegt

-- ChristophViegener
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Bend_ani_2.gifgif Bend_ani_2.gif manage 1267.9 K 01 Jun 2011 - 11:35 ChristophViegener Test of curved layout
Bend_merged.jpgjpg Bend_merged.jpg manage 745.7 K 01 Jun 2011 - 11:45 ChristophViegener Curved layout from both sides
IMG_2778.JPGJPG IMG_2778.JPG manage 2195.6 K 21 Sep 2011 - 11:42 ChristophViegener Verlöten vom Anfangsstück - vorläufiges Bild da Anfangsstück gerade in Reparatur
Image-17.jpgjpg Image-17.jpg manage 412.6 K 01 Jun 2011 - 11:44 ChristophViegener Steps of plate fabrication
Image-6.jpgjpg Image-6.jpg manage 282.1 K 01 Jun 2011 - 11:47 ChristophViegener Test setup
Image47reworked2.jpgjpg Image47reworked2.jpg manage 94.5 K 21 Jun 2011 - 13:42 ChristophViegener Prototyp Foto zum verdeutlichen für Bestellung
Kombinations_six.jpgjpg Kombinations_six.jpg manage 609.0 K 01 Jun 2011 - 14:43 ChristophViegener SIx different combinations
Layout_1.brdbrd Layout_1.brd manage 33.8 K 09 Jun 2011 - 14:12 ChristophViegener Old Layout with wrong Layers
Layout_1.schsch Layout_1.sch manage 2.8 K 09 Jun 2011 - 14:12 ChristophViegener Old Layout with wrong Layers
Layout_3.brdbrd Layout_3.brd manage 5.8 K 15 Jun 2011 - 14:51 ChristophViegener Layout with correct Layers
Layout_3_Screenshot.pngpng Layout_3_Screenshot.png manage 28.6 K 15 Jun 2011 - 14:58 ChristophViegener Layout 3 Screenshot
Layout_3_Screenshot_simple.jpgjpg Layout_3_Screenshot_simple.jpg manage 41.9 K 16 Jun 2011 - 09:50 ChristophViegener Layout 3 Screenshot simple
Layout_3_incl__milling.brdbrd Layout_3_incl__milling.brd manage 9.1 K 15 Jun 2011 - 14:52 ChristophViegener Layout with correct Layers (including Milling)
Layout_8_incl__milling.brdbrd Layout_8_incl__milling.brd manage 26.6 K 21 Jun 2011 - 13:44 ChristophViegener Layout für Platine bestehend aus 6 Einzelplatten
Layout_8_screen.jpgjpg Layout_8_screen.jpg manage 55.9 K 22 Jun 2011 - 09:43 ChristophViegener Screenshot of the final Layout (single plate)
Layout_8_single_plate_incl__milling.brdbrd Layout_8_single_plate_incl__milling.brd manage 8.1 K 21 Jun 2011 - 13:45 ChristophViegener Layout für Platine bestehend aus Einzelplatte
Line_ani_2.gifgif Line_ani_2.gif manage 1292.7 K 01 Jun 2011 - 11:43 ChristophViegener Test of line layout
Line_merged.jpgjpg Line_merged.jpg manage 692.3 K 01 Jun 2011 - 11:46 ChristophViegener Line layout from both sides
Result.pngpng Result.png manage 1668.4 K 21 Sep 2011 - 13:57 ChristophViegener Testergebnisse bei stückweisem erweitern
Split_Merged.jpgjpg Split_Merged.jpg manage 653.3 K 08 Jun 2011 - 11:02 ChristophViegener Split Layout
Split_fabrication.jpgjpg Split_fabrication.jpg manage 525.8 K 08 Jun 2011 - 11:03 ChristophViegener Split Fabrication
Stabmagnetentest.jpgjpg Stabmagnetentest.jpg manage 484.7 K 08 Jun 2011 - 11:12 ChristophViegener  
image60reworked2.jpgjpg image60reworked2.jpg manage 101.8 K 21 Jun 2011 - 13:42 ChristophViegener Prototyp Foto zum verdeutlichen für Bestellung
Topic revision: r44 - 27 Sep 2011, ChristophViegener
 
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