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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es ermöglicht, einen Berührungssensor, insbesondere eine berührungsempfindliche Fläche, in effizienter, präziser und reproduzierbarer Weise zu testen.
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Elektrische und/oder elektronische Geräte weisen heute häufig Berührungssensoren auf, mit denen eine Berührung des Geräts, z.B. eine Berührung einer Benutzerschnittstelle des Geräts, erkannt werden kann, z.B. um eine Nutzereingabe zu erfassen. Ein Berührungssensor kann dabei typischerweise durch einen Finger, insbesondere durch den Zeigefinger, eines Nutzers berührt werden.
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Während der Entwicklung eines Berührungssensors, insbesondere einer berührungsempfindlichen Fläche für eine Benutzerschnittstelle eines Geräts, werden typischerweise Tests durchgeführt, um die Zuverlässigkeit des Berührungssensors zu prüfen. Im Rahmen der Tests können Testpersonen den Berührungssensor mit einem Finger berühren. Dabei können die Testergebnisse durch die Art und Weise beeinflusst werden, wie die einzelnen Testpersonen den Berührungssensor berühren. Insbesondere kann bei der Nutzung von menschlichen Fingern zum Testen eines Berührungssensors typischerweise keine Reproduzierbarkeit der Testergebnisse erreicht werden.
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Eine Möglichkeit, reproduzierbare Tests von Berührungssensoren durchzuführen, ist die Verwendung einer Testvorrichtung (z.B. eines metallischen Stempels), durch die ein menschlicher Finger nachgebildet wird. Derartige Testvorrichtungen weisen jedoch meist Beschränkungen in Bezug auf den Frequenzbereich auf, in dem die Testvorrichtungen als Ersatz für einen menschlichen Finger verwendet werden können. Ferner weisen die Testvorrichtungen häufig (elektrische und/oder elektromagnetische) Eigenschaften auf, die wesentlich von den Eigenschaften eines menschlichen Fingers abweichen, sodass die mit einer derartigen Testvorrichtung durchgeführten Tests häufig ungenau sind.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine Testvorrichtung zum Testen eines Berührungssensors bereitzustellen, durch die die (elektrischen und/oder elektromagnetischen) Eigenschaften eines menschlichen Fingers innerhalb eines möglichst breiten Frequenzbereichs in präziser Weise nachgebildet werden.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind insbesondere in den abhängigen Patentansprüchen definiert, in nachfolgender Beschreibung beschrieben oder in der beigefügten Zeichnung dargestellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Testvorrichtung zur Nachbildung eines (standardisierten) menschlichen Fingers zum Testen eines Berührungssensors beschrieben. Mit anderen Worten, die Testvorrichtung kann dafür ausgebildet sein, in Berührtests eines Berührsensors anstelle eines Fingers einer menschlichen Hand verwendet zu werden.
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Die Testvorrichtung umfasst ein Handteil, das einen Hauptkörper mit einem von dem Hauptkörper abstehenden länglichen Bolzen aufweist. Der Hauptkörper kann dabei ausgebildet sein, die (geballte) Hand eines Nutzers nachzubilden, und der Bolzen kann ausgebildet sein, einen ausgestreckten Finger (insbesondere einen Zeigefinger) der Hand eines Nutzers nachzubilden. Das Handteil ist bevorzugt rotationssymmetrisch um die Längsachse des Bolzens ausgebildet. So kann in besonders effizienter Weise die Durchführung von reproduzierbaren Tests ermöglicht werden.
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Der Bolzen kann sich ausgehend von dem Hauptkörper erstrecken, wobei dabei ein Ende des Bolzens (elektrisch leitend) mit dem Hauptkörper verbunden ist. Das Handteil kann an dem von dem Hauptkörper abgewandten Ende des Bolzens einen verformbaren (insbesondere einen elastischen) elektrisch leitenden Berührkörper aufweisen, der dafür vorgesehen ist, bei einem Test des Berührungssensors den Berührungssensor zu berühren und/oder sich bei einem Test des Berührungssensors an den Berührungssensor anzuschmiegen. Der Berührkörper kann ausgebildet sein, die Fingerkuppe eines menschlichen Fingers nachzubilden. Durch die Verwendung eines elastischen Berührkörpers kann die Reproduzierbarkeit von Berührtests weiter erhöht werden.
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Der Hauptkörper kann einen Durchmesser zwischen 8cm und 12cm aufweisen (und damit in etwa die Größe einer geballten Hand aufweisen). Der (elektrisch leitende) Bolzen und/oder der Berührkörper können einen Durchmesser quer zu der Längsachse des Bolzens von 1,5cm oder weniger aufweisen (und damit in etwa den Durchmesser eines Fingers aufweisen). So können die elektromagnetischen Eigenschaften einer menschlichen Hand in besonders präziser Weise nachgebildet werden.
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Das Handteil kann derart ausgebildet sein, dass das Handteil, abgesehen von dem Ende, an dem der Berührkörper angeordnet ist, keine Ecken, Spitzen oder Kanten aufweist. Alternativ oder ergänzend kann das Handteil eine abgerundete Form aufweisen. So können die elektromagnetischen Eigenschaften einer menschlichen Hand in besonders präziser Weise nachgebildet werden.
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In einem bevorzugten Beispiel weist das Handteil eine Birnenform auf. Insbesondere kann der Hauptkörper eine Kugelform aufweisen, die fließend in eine Rundstabform des Bolzens übergeht. Durch eine derartige Form des Handteils können die elektromagnetischen Eigenschaften einer menschlichen Hand in besonders präziser Weise nachgebildet werden.
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Das Handteil, insbesondere der Hauptkörper und/oder der Bolzen, kann ein halbleitfähiges Material, ein Material mit einem Aluminiumadditiv, und/oder Kohlenstoff umfassen (z.B. als äußere Beschichtung oder als Vollmaterial). Der Berührkörper kann ein elektrisch leitendes Gummi und/oder einen elektrisch leitenden Schaumstoff umfassen. Des Weiteren kann der Berührkörper Kohlenstoff (als leitfähiges Material) umfassen. Durch die Verwendung derartiger Materialien können die elektromagnetischen Eigenschaften einer menschlichen Hand in besonders präziser Weise nachgebildet werden.
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Der Hauptköper kann eine relative Permittivität aufweisen, die an die typische relative Permittivität einer menschlichen Hand angepasst ist (die z.B. der Permittivität einer typischen menschlichen Hand entspricht). Alternativ oder ergänzend kann der Hauptköper eine relative Permittivität aufweisen, durch die Feldverzerrungen, die von einer menschlichen Hand im Umfeld eines Berührungssensors bewirkt werden, nachgebildet werden. Dies kann z.B. durch die o.g. Form und/oder durch die o.g. Materialien bewirkt werden.
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Die Testvorrichtung umfasst ferner ein Leitungsteil, das ausgebildet ist, das Handteil elektrisch leitend mit einer Bezugsmasse zu koppeln. Zu diesem Zweck kann die Testvorrichtung an dem Ende des Leitungsteils, das der Bezugsmasse zugewandt ist, ein Koppelelement (z.B. mit einer Elektrode) umfassen, das ausgebildet ist, die Testvorrichtung, insbesondere das Leitungsteil, mit der Bezugsmasse elektrisch leitend zu koppeln. Das Leitungsteil kann z.B. eine Leitungslänge zwischen 1,50 und 2,50 Meter aufweisen, um in möglichst präziser Weise einen stehenden Menschen nachzubilden.
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Das Leitungsteil kann einen elektrischen (bevorzugt verteilten) Gesamtwiderstand zwischen 150 Ohm und 2000 Ohm, bevorzugt von 510 Ohm, und/oder eine elektrische Gesamtkapazität, insbesondere eine Serienkapazität, zwischen 60 pF und 330 pF, bevorzugt von 220 pF, aufweisen (ggf. jeweils mit einer maximal möglichen Abweichung von ±20%). So können die elektromagnetischen Eigenschaften bei einer Berührung einer menschlichen Hand in besonders präziser Weise nachgebildet werden.
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In einem bevorzugten Beispiel weist das Leitungsteil (an dem der Bezugsmasse zugewandten Ende) eine (ggf. örtlich konzentrierte) elektrische Kapazität von 220 pF und/oder einen über die Leitungslänge des Leitungsteils gleichmäßig verteilten elektrischen Widerstand auf. Zu diesem Zweck kann das Leitungsteil zumindest eine Karbonfaser (als elektrische Leitung) umfassen.
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Alternativ oder ergänzend kann das Leitungsteil eine erste Leitung (z.B. eine erste Karbonfaser) und eine zweite Leitung (z.B. eine zweite Karbonfaser) umfassen, die in einem bestimmten Abstand zueinander zwischen dem Handteil und dem Koppelelement zur Kopplung mit der Bezugsmasse verlaufen. Die erste Leitung kann an dem ersten Ende, das dem Handteil zugewandt ist, offen sein, und kann an dem zweiten Ende, das der Bezugsmasse zugewandt ist, mit dem Koppelelement elektrisch leitend verbunden sein. Die zweite Leitung kann an dem ersten Ende elektrisch leitend mit dem Handteil verbunden sein und kann an dem zweiten Ende offen sein.
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Durch die Verteilung des Widerstands und/oder der Kapazität entlang der Leitungslänge des Leitungsteils können die elektromagnetischen Eigenschaften bei einer Berührung einer menschlichen Hand in besonders präziser Weise nachgebildet werden.
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Die Testvorrichtung ist bevorzugt derart ausgebildet (insbesondere durch Verwendung der in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen), dass die Impedanz der Testvorrichtung in dem Frequenzbereich für die Betriebsfrequenz (insbesondere für die Abtastfrequenz) des Berührungssensors, wobei sich der Frequenzbereich insbesondere von 0Hz bis 1GHz erstreckt, keine Resonanzfrequenz aufweist und/oder einen RC-Verlauf aufweist. So können die elektromagnetischen Eigenschaften bei einer Berührung einer menschlichen Hand in besonders präziser Weise nachgebildet werden.
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Es ist zu beachten, dass jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Testvorrichtung in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden können. Insbesondere können die Merkmale der Patentansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1a ein beispielhaftes Hausgerät mit einem Berührungssensor;
- 1b eine beispielhafte Testvorrichtung zum Testen eines Berührungssensors;
- 1c eine beispielhafte frequenzabhängige Impedanz eines menschlichen Fingers;
- 2a eine beispielhafte Testvorrichtung 120 mit einem Handteil und einem Leitungsteil;
- 2b eine beispielhafte Testvorrichtung 120 mit einem Kugel- oder Birnen-förmigen Handteil; und
- 3a und 3b eine beispielhafte Testvorrichtung 120 mit einem Leitungsteil mit räumlich verteiltem Widerstand und räumlich verteilter Kapazität.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung einer Testvorrichtung, die als präziser Ersatz für einen menschlichen Finger bei Berührungstests verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang zeigt 1a ein Hausgerät 100 mit einer Bedienblende 101 an der zumindest ein Berührungssensor 102 angeordnet ist, der von einem Nutzer mit dem Finger einer Hand 112 berührt werden kann, um eine Nutzereingabe zu bewirken.
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Wie eingangs dargelegt, kann zum Testen eines Berührungssensors 102 eine Testvorrichtung 120 verwendet werden, die z.B. einen metallischen Stempel aufweist, mit dem der zu testende Berührungssensor 102 berührt werden kann, um möglichst reproduzierbare Testergebnisse bereitzustellen. Die Testergebnisse können mit einer Auswerteeinheit 130 ausgewertet werden.
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1c zeigt einen typischen Zusammenhang 141 zwischen der Impedanz 141 einer Berührung eines menschlichen Fingers als Funktion der Frequenz 142, mit der der Berührungssensor 102 betrieben wird. Wie aus 1c hervorgeht, weist die Impedanz 141 eines menschlichen Fingers ein typisches RC-Verhalten auf. Dieses RC-Verhalten kann durch die in 1b dargestellte Testvorrichtung (in diesem Fall ein Touchscreen) 120 typischerweise nicht in präziser Weise nachgebildet werden, zumindest nicht in einem relativ breiten Ziel-Frequenzbereich zwischen 20kHz und 5MHz (oder höher). Vielmehr weist die in 1b dargestellte Testvorrichtung 120 meist Resonanzfrequenzen auf, die eine signifikante Abweichung von dem menschlichen RC-Verhalten bewirken. Ferner werden durch die in 1b dargestellte Testvorrichtung 120 Feldverhältnisse des elektromagnetischen Feldes im Umfeld der Testvorrichtung 120 bewirkt, die wesentlich von den Feldverhältnissen des elektromagnetischen Feldes im Umfeld einer menschlichen Hand 112 abweichen, was Auswirkungen auf die Genauigkeit der Testergebnisse der Testvorrichtung 120 hat. Außerdem weichen die bei einer Berührung mit der Testvorrichtung 120 bewirkten elektrischen Ströme meist signifikant von den Strömen ab, die bei einer Berührung mit einem menschlichen Finger fließen, was sich ebenfalls negativ auf die Genauigkeit der Testergebnisse der Testvorrichtung 120 auswirkt.
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2b zeigt eine beispielhafte Testvorrichtung 110, die ein Handteil 220 zur Nachbildung der menschlichen Hand 112, und ein Leitungsteil 210 zur Nachbildung des Stromflusses über den menschlichen Körper aufweist. Das Handteil 220 umfasst einen länglichen Bolzen 222, der sich von einem (trichterförmigen) Hauptkörper 223 weg erstreckt, und durch den ein Finger einer Hand 112 nachgebildet wird. Ferner werden durch den Hauptkörper 223 die Auswirkungen einer Hand 112 auf das elektromagnetische Feld im Umfeld des berührten Berührungssensors 102 nachgebildet. An dem von dem Hauptkörper 223 abgewandten Ende des Bolzens 222 kann ein verformbarer (insbesondere elastischer) leitfähiger Berührkörper 221 angeordnet sein (z.B. in Verlängerung zu dem Bolzen 222), durch den die verformbare Fingerkuppe eines menschlichen Fingers nachgebildet wird. Durch die Verwendung eines verformbaren Berührkörpers 221, über den die Vorrichtung 120 einen zu testenden Berührungssensor 102 tatsächlich berührt, können Abweichungen in Bezug auf die Ausrichtung, mit der die Vorrichtung 120 den Berührungssensor 102 berührt, in effizienter und präziser Weise ausgeglichen werden.
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Das Handteil 220 ist bevorzugt rotationssymmetrisch um die Längsachse des Bolzens 222 ausgebildet. So kann die Reproduzierbarkeit von Testergebnissen weiter erhöht werden, da die Testergebnisse nicht durch die Drehung des Handteils 220 um die Längsachse des Bolzens 222 beeinflusst werden.
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Wie bereits oben dargelegt, können über den Hauptkörper 223 die Einflüsse der menschlichen Hand 112 auf das elektromagnetische Feld im Umfeld des Berührungssensors 102 nachgebildet werden. Zu diesem Zweck kann der Hauptkörper 223 ein Material aufweisen, zumindest mit einem Material beschichtet sein, das eine bestimmte (relative) Permittivität aufweist, durch die die Feldverzerrungen der menschlichen Hand 112 in besonders präziser Weise nachgebildet werden. In einem bevorzugten Beispiel wird zu diesem Zweck ein Kohlenstoff-haltiges Material verwendet.
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Das Handteil 220 der Testvorrichtung 120 kann über ein Leitungsteil 210 elektrisch leitend mit Masse verbunden sein. Zu diesem Zweck kann das Leitungsteil 210 ein Koppelelement 204 zur Anbindung an Masse aufweisen. Ferner kann das Leitungsteil 210 einen bestimmten elektrischen Widerstand 211 (z.B. 510 Ohm) und/oder eine bestimmte Kapazität 212 (z.B. 220pF) aufweisen (wie z.B. in der Norm DIN EN 55014-1 festgelegt). Der elektrische Widerstand 211 und die Kapazität 212 eines menschlichen Körpers verteilen sich dabei typischerweise entlang der Strecke von der menschlichen Hand 112 bis Masse. Das Leitungsteil 210 weist daher bevorzugt einen verteilten elektrischen Widerstand 211 und/oder eine verteilte elektrische Kapazität 212 auf.
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2b zeigt eine weitere beispielhafte Testvorrichtung 120 mit einem birnenförmigen Handteil 220, durch das eine menschliche Hand 112 in besonders präziser Weise für Berührungstests nachgebildet werden kann. Das Handteil 220 weist dabei einen kugelförmigen Hauptkörper 223 auf, der fließend in den stabförmigen Bolzen 222 übergeht, sodass der Hauptkörper 223 und der Bolzen 222 zusammen die Form einer Birne ausbilden.
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Die Testvorrichtung 120 weist ferner verteilte Widerstände 231 entlang des Leitungsteils 210 auf, um das Handteil 220 mit Masse 240 zu koppeln.
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Parallel zu dem Kondensator bzw. zu der Kapazität 212 kann ein relativ hochohmiger Entladewiderstand angeordnet sein, bevorzugt mit einem Widerstandswert von 1 MOhm oder mehr.
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3a und 3b zeigen eine Testvorrichtung 120 mit einem elektrischen Widerstand und einer elektrischen Kapazität, die jeweils entlang des Leitungsteils 210 verteilt sind. Dies kann durch die Verwendung von zwei elektrischen Leitungen 301, 302 erreicht werden, die parallel zueinander verlaufen, und die über einen Spalt 303 mit einer bestimmten Spaltbreite voneinander beabstandet sind. Die erste Leitung 301 ist an einem ersten Ende mit dem Koppelelement 204 und an dem zweiten Ende offen. In komplementärer Weise ist die zweite Leitung 302 an dem zweiten Ende mit dem Handteil 220 verbunden und an dem ersten Ende offen. Wie aus 3b ersichtlich wird, werden durch die erste Leitung 301 und die zweite Leitung 302 örtlich verteilte Widerstände entlang des Leitungsteils 210 gebildet. Ferner werden durch den Spalt 303 zwischen den beiden Leitungen 301, 302 örtlich verteilte Kapazitäten gebildet (die jeweils zwischen den örtlich verteilten Widerständen angeordnet sind).
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Es wird somit eine Testvorrichtung 120 zur Nachbildung eines menschlichen Fingers für Berührungstests beschrieben. Die Testvorrichtung 120 umfasst ein Handteil 220 mit einer künstlichen Nachbildung der Fingerkuppe eines Fingers. Die Fingerkuppe kann dabei insbesondere durch einen elastischen und/oder flexiblen Berührkörper 221 nachgebildet werden, der ausgebildet ist, sich der Oberfläche des Berührungssensors 102 anzupassen. Der Berührkörper 221 kann leitfähiges Gummi und/oder ein (ggf. gedrucktes) Federsystem aus einem halbleitfähigen Material umfassen. Der Durchmesser des Berührkörpers 221 kann dem typischen Durchmesser einer Fingerkuppe entsprechen. In entsprechender Weise kann der Bolzen 222 als Durchmesser den typischen Durchmesser eines Fingers aufweisen. Ferner kann der elektrische Widerstand des Berührkörpers 221 und des Bolzens 222 an den typischen elektrischen Widerstand eines menschlichen Fingers angepasst sein (um eine Ableitung von Berührströmen und EMV Störströmen zu einem Rückführungspunkt (Bezugsmasse 240) über eine Ableitung 210 zu gewährleisten). Die Permittivität und/oder die Form des Bolzens 222 mit dem Berührkörper 221 können derart gestaltet sein, dass eine Feldverzerrung und/oder eine Kopplungseigenschaft den entsprechenden Eigenschaften eines menschlichen Fingers entsprechen. Dies kann z.B. durch Verwendung eines leitfähigen Kunststoffs (z.B. mit Carbon) erreicht werden.
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Die künstliche Nachbildung der Hand 112 kann durch den Hauptkörper 223 bewirkt werden, insbesondere um eine Feldverzerrung und/oder eine Kopplungseigenschaft den entsprechenden Eigenschaften der menschlichen Hand anzupassen. So kann in präziser Weise die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes im Umfeld des Berührungssensors 102 durch die menschliche Hand nachgebildet werden.
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Zur Nachbildung einer Hand 112 weist der Hauptkörper 223 bevorzugt eine abgerundete Form auf. Ferner kann der Hauptkörper 223 ein halbleitfähiges Material und/oder ein Material mit einem Aluminiumadditiv umfassen. Der (kugelförmige) Hauptkörper 223 kann z.B. einen Durchmesser von 10cm (z.B. zwischen 8cm und 12cm) aufweisen. Der Hauptkörper 223 ist bevorzugt rotationssymmetrisch und weist keine Feldüberhöhungen durch Spitzen und/oder Kanten auf.
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Die Ableitung der Berührströme kann durch ein Leitungsteil 210 der Testvorrichtung 120 erfolgen. Dabei sollte das Leitungsteil 210 keine Resonanzfrequenzen aufweisen. Das Leitungsteil 210 kann eine Länge von 2 Metern (z.B. zwischen 1,50 Meter und 2,50 Meter) aufweisen (z.B. um von der Bezugsmasse 240 zu einem Berührungssensor 102 in einer entsprechenden Höhe zu gelangen). Durch das Leitungsteil 210 kann die Kapazität eines Menschen gegen die Bezugsmasse 240 dargestellt werden.
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Das Leitungsteil 210 kann bevorzugt ein oder mehrere Karbonfasern mit einer verteilten Kapazität und mit einem verteilen Widerstand aufweisen.
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Durch die in diesem Dokument beschriebene Testvorrichtung 120 kann ein menschlicher Finger in einem sehr breiten Frequenzbereich (DC bis GHz) resonanzfrei nachgebildet werden. Die Testvorrichtung 120 ermöglicht eine präzise Kalibrierung. Ferner ermöglicht die Testvorrichtung 120 die Durchführung von Test mit Robotern (z.B. in EMV Feldern). Ferner ermöglicht die Testvorrichtung 120 die Durchführung von reproduzierbaren Tests.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Testvorrichtung veranschaulichen sollen.
