WO2009103594A1 - Tastatur mit kapazitätssensitiven tastenfeldern - Google Patents

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WO2009103594A1
WO2009103594A1 PCT/EP2009/050855 EP2009050855W WO2009103594A1 WO 2009103594 A1 WO2009103594 A1 WO 2009103594A1 EP 2009050855 W EP2009050855 W EP 2009050855W WO 2009103594 A1 WO2009103594 A1 WO 2009103594A1
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capacitance value
keyboard
capacitive element
actuation
level
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Michael Ostermöller
Thomas Wahl
Ottmar MÖLLER
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Hypercom Gmbh
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Publication date
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    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960755—Constructional details of capacitive touch and proximity switches

Definitions

  • the present invention relates to a keyboard with capacitive touch keypads.
  • keyboards can serve as an interface between a human and a machine. Data can be entered into the machine using the keyboard. For example, if such input data is security-related data that may not be intercepted or altered by unauthorized third parties, the keyboard should be protected against possible tampering by third parties. Such protected against manipulation keyboards, for example, for so-called payment terminals be advantageous in which, for example, a secret PIN to be kept (Personal Identification Number) can be entered by means of the keyboard.
  • Conventional keyboards typically have a printed circuit board on whose surface electrically conductive contact surfaces are provided. The contact surfaces usually consist of two adjacently arranged contact halves.
  • a switching element is usually arranged above the printed circuit board, in which an electrically conductive element is provided on a surface directed toward the printed circuit board, for example in the form of a carbon pill or a metal plate. If a button formed in such a switching mat actuated, the electrically conductive element closes the two arranged on the circuit board contact halves short. Such a bridging of the two contact halves can be detected with the aid of evaluation electronics, for example a microcontroller. In a conventional keyboard, a plurality of pairs of contact halves are usually connected to a microcontroller in a matrix-like manner in order to reduce the number of necessary lines.
  • a potential attack on such a conventional keyboard to intercept or manipulate data entered using the keyboard could be to electrically contact the contact halves associated with a key from the outside, such that actuation of the key could be detected by an external attacker.
  • the entire keyboard could also be tapped by connecting an evaluation circuit to the keyboard matrix. This can be easily possible, in particular in view of exposed, electrically contactable contact halves.
  • capacitive elements are provided instead of electrically bridgeable contact halves.
  • a keypad of the keyboard is associated with a capacitive element.
  • the capacitance of a capacitive element changes depending on whether the keypad is operated or not.
  • Measuring electronics can thus detect whether a keypad has been actuated due to a changing capacitance value of a capacitive element.
  • a keyboard in accordance with a first aspect of the present invention, includes a plurality of keypads, a plurality of capacitive elements, and measurement electronics.
  • Each capacitive element is assigned to a keypad and designed to change its capacity value upon actuation of the associated keypad.
  • the measuring electronics serve to measure the capacitance value of each of the capacitive elements.
  • the measuring electronics are designed to detect a change in the capacitance value of one of the capacitive elements between a non-actuation level lying in a first capacitance value range and an actuation level lying in a second capacitance value range and then output an actuation signal.
  • the measuring electronics are further adapted to change the capacitance value of the one capacitive element between the non-actuation level lying in the first capacitance value range and -A -
  • a keypad provided with a plurality of capacitive elements is not only able, by means of its measuring electronics, to switch between an actuated state and a non-actuated state of a key
  • it can also detect when the capacitance value of a capacitive element increases beyond an upper limit, which then causes the measuring electronics to output an alarm signal.
  • An operation of the keyboard according to the invention can be understood as follows: As long as a keypad of the keyboard is not actuated, the capacitance value of the capacitive element assigned to this keypad lies within a first capacitance value range.
  • This capacitance value referred to as the non-actuation level, does not necessarily have to be a fixed, constant value. The non-activity level may vary slightly, for example due to climatic influences.
  • the first capacitance value range can be chosen such that the capacitance value of a capacitive element always remains within the first capacitance value range despite such predictable fluctuations in the normal operation of the keyboard, as long as the associated key or the associated keypad is not selectively actuated.
  • the capacitance value of the associated capacitive element changes due to the additional capacitance of the user's finger or key.
  • the measuring electronics are designed such that they change the capacitance value between the non-actuation level and a corresponding one Can detect actuation level and then can output an actuation signal.
  • the actuation level like the non-actuation level, need not be a fixed value, but may be within a capacity value range.
  • the second capacitance value range in which the actuation level is located will be above the first capacitance value range in which the non-actuation level is located, since the capacitance value of the capacitive element usually increases on actuation.
  • the actuating signal delivered by the measuring electronics can be forwarded, for example, to an evaluation unit, which can, for example, assign a specific data value to the actuating signal assigned to a specific capacitive element.
  • an evaluation unit which can, for example, assign a specific data value to the actuating signal assigned to a specific capacitive element.
  • the measurement electronics of the keyboard according to the invention is not only able to detect a change in capacitance between a non-actuation level and an actuation level. It is also designed to detect a change in the capacitance value of a capacitive element towards a manipulation level above the second capacitance value range and then output an alarm signal.
  • the second capacitance value range can not only have a lower limit, above which the measuring electronics detects an actuation of the associated keypad, but also an upper limit above which the measuring electronics no longer start from an actuation of the associated keypad but from a manipulation of the keypad Keyboard.
  • the measuring electronics can detect when the capacitance value of a capacitive element has exceeded an upper limit value, up to that under normal conditions, from a correct actuation of the keypad can be moved. With such a too high capacitance value, the measuring electronics then assumes that the keyboard has been manipulated in some way and emits an alarm signal. This alarm signal, for example, lead to the generation of an audible or visual perceptible alarm or passed on to a control center.
  • the keyboard according to the invention can exploit the fact that the capacitance value of a capacitive element usually increases when an attempt is made to manipulate the keyboard. For example, this capacitance value increases if, as part of a manipulation attempt, spy electronics are connected in parallel to a capacitive element or to other electronic components present in the keyboard. Even if a pressure-sensitive film or an additional circuit is placed over the actual keyboard as part of a manipulation attempt to recognize an operation of keypads and pass it on to an unauthorized third, usually increases the capacitance value of the underlying capacitive elements of the keyboard. Already when making the manipulative measures, the capacitance value can increase so much that it is detected by the measuring electronics as a manipulation level lying above the second capacitance value range.
  • the keyboard may have any number of keypads.
  • the keyboard 10 may have keys numbered "0" to "9" so that any numerical code may be entered. But it can also be provided keypads, which letters or other characters are assigned.
  • a keypad may be a flat area of the keyboard that a user can touch or depress when attempting to enter the data content associated with the keypad.
  • a capacitive element can be any electronic component that has a capacitance value and that can change its capacitance value as other capacitive objects approach.
  • a capacitive element may be formed as a flatly arranged capacitor, which is arranged in the vicinity of a user interface of the keyboard. As an article of suitable, in particular, dielectric material approaches the user interface, the capacitance value of the capacitive element adjacent thereto changes.
  • the measurement electronics may be any circuit that is electrically connected to the capacitive elements and that is capable of measuring their respective instantaneous capacitance value.
  • the capacitance value measured by the measuring electronics can be recorded and processed analogue or digital.
  • the meter electronics may be able to detect when the capacitance value of a capacitive element is in a first capacitance value range, and to evaluate that the associated keypad is not currently actuated.
  • the non-actuation level within the first capacity value range is also referred to as a "baseline”.
  • the measuring electronics is also able to detect when the capacitance value of the capacitive element changes such that it is in a second capacitance value range, whereupon an actuation of the assigned keypad is assumed.
  • the first and the second capacitance value range can be predetermined ranges and preprogrammed into the measuring electronics.
  • the capacity value ranges can be subsequently programmed to be selectable by an operator of the keyboard.
  • the "smart learning" of the keyboard is possible by giving the keyboard predictable operating conditions under certain environmental conditions, and then the keyboard can learn each of the capacity value associated with a non-actuated state and an actuated state.
  • the meter electronics are also capable of not only detecting whether the measured capacitance value is within the first capacitance value range, the second capacitance value range, or outside both capacitance value ranges, but in particular whether it is above the second capacitance value range. In such a case, the measurement electronics assume that the keyboard has been manipulated, since the capacity value would otherwise not be in such a high value range. She then gives an alarm signal.
  • the measuring electronics can be set up in such a way that the alarm signal is output only when a capacitance value above the second capacitance value range is measured over a predetermined or predeterminable minimum time duration. In this way, false alarms can be largely avoided, for example due to short-term fluctuations or short-term static charges.
  • the measuring electronics are preferably located within a housing surrounding or forming the keyboard. In particular, the measuring electronics can be located in a special way against access from the outside protected area of the housing.
  • the measurement electronics are further configured to detect a change in the capacitance value of one of the capacitive elements between the non-actuation level lying in the first capacitance value range and an intermediate level lying between the first and second capacitance value ranges and if the intermediate level is longer than a predetermined one or pre-determinable time period is detected to output a warning signal.
  • the measuring electronics can detect not only when the capacitance value of a capacitive element is above an upper limit of the second capacitance value range, but also when it is below the lower limit value of the second capacitance value region, that is, between the first and second capacitance values second capacity value range, is located.
  • Such an intermediate level capacitance value may indicate keyboard manipulation.
  • the measurement electronics assumes a probability of a manipulation attempt only when the capacitance value is at such an intermediate level for a certain period of time.
  • the specific period of time may be in the range of a few seconds to a few hours.
  • the measuring electronics over detects such a long period of time that the capacitance value of a certain capacitive element is neither at a non-actuation level nor at an actuation level but somewhere in between, it issues a warning signal.
  • This warning signal can be received, for example, from an evaluation.
  • this transmitter may treat the alert signal in a manner similar to an alarm signal and cause an alarm, or it may cause a graded version of an alarm, such as a merely visually perceptible alarm. Alternatively, it can wait to see if the warning signal will be maintained for a certain period of time before triggering an alarm.
  • the keypads are arranged on a surface of the keyboard such that they can be manually touched by an operator, wherein a capacitive element associated with a respective keypad is arranged such that its capacitance value is more manual Touch from non-activity level to the actuation level changes.
  • the capacitive element may be located directly on or just below a surface of the keyboard.
  • the capacitive element may be open to the outside, ie, the components forming the capacitive element may be exposed to the outside.
  • the capacitive element is covered to the outside by an electrically insulating layer, for example in the form of a film, a lacquer layer or a thin glass plate.
  • an electrically insulating layer for example in the form of a film, a lacquer layer or a thin glass plate.
  • Such a keyboard does without moving buttons. No mechanical actuation is detected, for example due to applied pressure, but a change in capacitance value resulting from placing an additional, preferably dielectric, medium, such as that represented by a human finger, in the vicinity of the keypad and thus changes the capacitance value of the capacitive element.
  • An additional advantage is that such keyboards can have a flat, easy-to-clean surface.
  • a keypad is associated with an embossed film.
  • an operator of the keyboard can be given a tactile feedback on the operation of a keypad.
  • the embossed foil may be configured such that a certain minimum pressure must be exerted on it so that it snaps from a non-actuated configuration into an actuated configuration. In the non-actuated configuration, the embossed foil can keep the operator's finger at a distance from the capacitive element such that its capacitance value is hardly affected and the measuring electronics thus start from an unactuated state.
  • the embossed foil Only when the embossed foil has snapped into the actuated configuration due to finger pressure does the finger or a dielectric element come near the capacitive element surface of the foil in the vicinity of the capacitive element, so that the measured capacitance value increases correspondingly and Measuring electronics can assume an operating state.
  • the embossed foil also allows the transition from the unactuated configuration to the actuated configuration to proceed very rapidly, for example in the millisecond range, so that the time during which the measured capacitance value in the normal state of the keyboard is in a range of values is the first and the second capacity value range, is correspondingly short. If a corresponding intermediate level in this embodiment of the keyboard persists for an extended period of time, manipulation of the keyboard can be assumed.
  • each keypad is associated with a switchable between an unactuated and an actuated position button.
  • the key has a capacity value-changing element.
  • the button and the capacitive element associated therewith are arranged such that when the button is moved from the unactuated to the actuated position, the capacitance value of the capacitive element changes from the non-actuation level to the actuation level.
  • an operator can be given a tactile feedback on the actuation of a button.
  • the keyboard has similar advantages and characteristics in this embodiment as the embodiment of the embossed sheet keyboard described above.
  • An additional advantage with this embodiment may be that the keyboard provided with movable keys can have similar operating characteristics as conventional keyboards.
  • an operator does not need to change his operating habits, on the other hand, an attacker from the outside can not see in advance that it is not a conventional keyboard with electrically actuable contacts by mechanical actuation, but a keyboard according to the invention with capacitive detection of actuation of the keys.
  • the keys are arranged in a switching mat.
  • the keyboard is even more like a conventional keyboard. In extreme cases, it may even be sufficient to replace the electrically conductive coal pills or metal flakes provided on the keys of a conventional keyboard on the underside by dielectric elements.
  • the opposing contact halves of a conventional keyboard are then no longer short-circuited when depressing the button.
  • the two contact halves also form a kind of capacitor, the capacitance value of the capacitive element generated by the two contact halves changes. In order to convert the conventional keyboard into a keyboard according to the invention, it is then only necessary to correspondingly reconfigure the measuring electronics connected to the contact halves.
  • a capacitive element is covered toward an exterior of the keyboard by an electrically insulating layer.
  • the electrically insulating layer may be, for example, a lacquer or a foil, preferably a self-adhesive foil.
  • the electrically insulating layer is opaque, so that the underlying capacitive elements can not be seen from the outside.
  • one of the capacitive elements is accommodated inside a printed circuit board.
  • the keyboard further comprises a capacitive element serving as a reference encoder, which is not associated with a keypad.
  • Such a capacitive element serving as a reference generator can be constructed in a similar manner as the capacitive elements assigned to the keypads. It can therefore have a similar electrical behavior as the latter, but it is not associated with a keypad. This lack of assignment can be done by the fact that this additional capacitive element from the outside is not recognizable as a keypad. Alternatively, the additional capacitive element can be selectively protected against actuation, for example by external contact.
  • the capacitive element serving as a reference generator can be used, for example, in the definition of the first capacitance value range.
  • Its capacitance value may be defined as the non-actuation level for the capacitive elements associated with the keypads. Since its capacitance value changes similarly to that of the other capacitive elements due to fluctuations in humidity, temperature fluctuations, etc., the non-actuation level or the "baseline" is thus continuously adjusted to the prevailing climatic influences.
  • the measuring electronics are designed to cyclically measure the capacitance value of each capacitive element.
  • the individual capacitive elements can be successively measured successively.
  • a measurement sequence can be static or can be varied in time in a predetermined or alternatively random manner. If an attacker succeeds in spying on the capacitance readings available to the measuring electronics, he still does not know which of the different ones Keypads associated capacitive elements the measuring electronics instantly measures, so spying out the data entered via the keyboard is further difficult.
  • the measuring electronics of the keyboard is programmable.
  • Such programmable electronic measuring equipment may, for example in the form of a PSoC ® - the microcontroller (Programmable System-on-Chip), which further comprises in addition to a microcontroller core with Flash and SRAM user-configurable analog and digital array and offered to the example of the company Cypress will be realized. With these arrays a variety of applications can be realized. The configuration of the hardware can even be switched to another memory configuration during runtime.
  • the limit values of the first and second capacitance value range can be programmed.
  • time thresholds can be programmed, which must be complied with so that the measuring electronics detects, for example, an actuation level, manipulation level or intermediate level.
  • certain tolerance ranges can be programmed.
  • the order of a successive measurement process can be programmed.
  • a sensitivity of each capacitive element can be adjusted individually, so that, for example, an "on" switch requires a longer actuation than a normal keypad
  • different evaluation methods can be implemented in the measuring electronics and the data even encrypted if necessary If the keyboard can be adapted later to different applications, the measuring electronics can be reconfigured by means of suitable firmware Measuring electronics also allow a low external Verschaltungsetzwand while short development time.
  • Fig. 1 shows a keyboard according to a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 shows by way of example the behavior of the capacitance value of a capacitive element in different operating states of the keyboard.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of a keyboard according to the invention.
  • Fig. 4 shows yet another embodiment of the keyboard according to the invention.
  • FIG. 1 shows a cross-section of a keyboard 1 according to the invention, in which capacitive elements 3, which are formed by planar metal layers 5 arranged parallel to the surface of the keyboard 1, are formed inside a printed circuit board 7. At the bottom of the circuit board 7 is a measuring electronics 9, which is connected by buried penetrators 11 with the metal layers 5 forming the capacitive elements 3.
  • the measuring electronics 9 is designed to measure the capacitance value of the individual capacitive elements 3 or a change in the capacitance value and, depending on the measured capacitance value, to output either an actuation signal, an alarm signal, a warning signal or a non-actuation signal.
  • the measuring electronics 9 is located within a secured area 13 below the circuit board forming a boundary to the outside.
  • the measuring electronics 9 may be encapsulated within the secured area 13 by a resin composition, for example.
  • a cover sheet 15 is provided on an outwardly facing surface of the circuit board 7.
  • the measurement of the capacitance value of the capacitive elements 3 can be realized with the aid of the measuring electronics 9 in various ways, for example by means of a Capacitance-to-digital converter.
  • all keypads 17 or their associated capacitive elements 3 are interrogated one after the other and after a polling cycle the result of an evaluation circuit (not shown) is made available.
  • the measuring electronics 9 can be implemented by means of a PSoC microcontroller, as it is marketed for example by Cypress Semiconductor as a so-called CapSense module and which provides a capacitance measuring interface.
  • a PSoC series with additional analog multiplexer can be selected to extend the number of possible measurement channels (keypads).
  • the digital interface is selected for the transmission of the key codes to the evaluation circuit. Available are an I 2 C-BuS, a UART (Transmit only) or port pins, which are controlled by software. Eventually, an interrupt output should also be added to quickly signal actuated keys.
  • the software modules for capacity measurement and data transfer are configured and the firmware for the overall function is created.
  • FIG. 2 shows the capacitance value C measured by the measuring electronics 9 in different operating states of the keyboard 1.
  • the measured capacitance value C is within a first capacitance value range 201. Due to environmental influences, the capacitance value can be within the upper and lower limits lower limit of the first capacitance value range 201 slightly vary.
  • the measured capacitance value C rises to an operating level within a second capacitance value range 203 due to the additional capacitance caused by the finger. Due to various influences, such as the size of the finger, the hand sweat, the contact pressure and, consequently, the pressure surface, etc., the measured capacitance value of the actuation level may vary within the second capacitance value range 203.
  • the capacitance value C returns to the non-actuation level, initially possibly with a slight hysteresis, see step 105.
  • an additional capacitance is effected.
  • a manipulation attempt may consist in that an additional, pressure-sensitive film is arranged over the cover film 15, which is connected to evaluation electronics, which allows an attacker to recognize which of the key fields is being actuated.
  • the capacitance value C measured by the measurement electronics 9 increases beyond the upper limit of the first capacitance value range 201.
  • the capacitance value C can be permanently within a range between the first and the second capacitance value range, which can be interpreted by the measuring electronics as a sign for a manipulation, whereupon the latter can issue a warning signal.
  • the capacitance value C measured by the measurement electronics 9 may increase above the upper limit of the second capacitance value range 203.
  • This Signaling electronics 9 clearly signal that the keyboard has been manipulated since such high capacitance values C may not be present without manipulation.
  • the measuring electronics 9 therefore emits an alarm signal, which can lead to the generation of an acoustically or visually perceptible alarm, a transmission of a corresponding signal to a control center or the complete shutdown of the keyboard.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a keyboard 1 'designed according to the invention.
  • a certain minimum pressure must be exerted on the embossed foil 15 'by the finger of a user before it snaps downwards.
  • the capacitance varying elements 25 are spaced so far from the underlying capacitive elements 3 that they hardly affect their capacitance value.
  • the corresponding capacitance value changing element 25 comes close to or directly to the surface of the circuit board 7 and thus to the vicinity of the capacitive element 3 integrated therein and changes its capacitance value so much that it comes within the second capacity value range 203 and is thus detected as the actuation level.
  • the capacitive elements acting as sensor surfaces can be placed in an inner layer of the circuit board, so that in a tampering attempt first located key pads should be milled freely;
  • each additional connected line and subsequent electronics represents another parallel capacitive load, which can be noticed by the measuring electronics.
  • a silent alarm to respond to serving as evaluation main controller;
  • the flexible structure of the PSoC makes it possible to respond flexibly to other requirements.
  • the sequence of key queries in a cycle can be changed permanently or the transmission to a main controller can be used proprietarily.
  • the baseline level of the capacitive elements can be adaptively adjusted to account for effects such as temperature and humidity. For this purpose and also for tamper detection may possibly be useful as a reference additional capacitive element without key function.
  • the switching threshold and hysteresis can be set individually for each individual keypad;
  • the capacitive keyboard according to the invention can also have the following advantages:
  • the following advantages can also be achieved:
  • a number of keypads and an order of their query is configurable; a sensitivity can be set individually for each sensor;
  • Component tolerances can be compensated via the firmware.
  • the capacitive-sensitive keypads can be integrated into the keyboard according to the invention.
  • the keypads can also be designed as sliders to For example, to be able to adjust contrast, volume or brightness values continuously.
  • the capacitive elements can be formed by means of transparent conductors such as ITO (indium tin oxide), so that behind the capacitive elements a screen can be arranged, for example in the form of LCDs and the keyboard can be formed in the form of a touch pad.
  • ITO indium tin oxide

Abstract

Es wird eine Tastatur (1) mit einer Mehrzahl von Tastenfeldern (17) und einer Mehrzahl von den Tastenfeldern (17) zugeordneten kapazitiven Elementen (3) sowie einer Messelektronik (9) vorgeschlagen. Die Messelektronik ist dazu ausgebildet, eine Änderung des Kapazitätswertes eines der kapazitiven Elemente (3) zwischen einem in einem ersten Kapazitätwertbereich (201) liegenden Nichtbetätigungsniveau und einem in einem zweiten Kapazitätwertbereich (203) liegenden Betätigungsniveau zu detektieren und daraufhin ein Betätigungssignal auszugeben. Die Messelektronik ist ferner dazu ausgebildet, eine Änderung des Kapazitätswertes dem Nichtbetätigungsniveau und einem oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs (203) liegenden Manipulationsniveau zu detektieren und daraufhin ein Alarmsignal auszugeben. Dadurch kann der Versuch, die Tastatur zu manipulieren, aufgrund der damit verbundenen Kapazitätswerterhöhung detektiert werden.

Description

Tastatur mit kapazitätssensitiven Tastenfeldern
BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tastatur mit kapazitätssensitiven Tastenfeldern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Tastaturen können beispielsweise als Schnittstelle zwischen einem Menschen und einer Maschine dienen. Dabei können mit Hilfe der Tastatur Daten an die Maschine eingegeben werden. Wenn es sich zum Beispiel bei solchen eingegebenen Daten um sicherheitsrelevante Daten handelt, die nicht von unbefugten Dritten abgehört oder verändert werden dürfen, sollte die Tastatur gegen mögliche Manipulationen seitens Dritter geschützt sein. Solche gegen Manipulation geschützte Tastaturen können beispielsweise für sogenannte Bezahlterminals von Vorteil sein, bei denen zum Beispiel eine geheim zu haltende PIN (Personal Identification Number) mittels der Tastatur eingegeben werden kann. Herkömmliche Tastaturen weisen typischerweise eine Leiterplatte auf, an deren Oberfläche elektrisch leitende Kontaktflächen vorgesehen sind. Die Kontaktflächen bestehen meist aus jeweils zwei benachbart angeordneten Kontakthälften. Über der Leiterplatte ist in der Regel ein Schaltelement angeordnet, bei dem an einer zu der Leiterplatte hin gerichteten Oberfläche ein elektrisch leitendes Element vorgesehen ist, beispielsweise in Form einer Kohlepille oder eines Metallplättchens. Wird eine in einer solchen Schaltmatte ausgebildete Taste betätigt, schließt das elektrisch leitfähige Element die beiden auf der Leiterplatte angeordneten Kontakthälften kurz. Eine solche Überbrückung der beiden Kontakthälften kann mit Hilfe einer Auswerteelektronik, z.B. eines MikroControllers detektiert werden. Bei einer herkömmlichen Tastatur sind dabei meist eine Mehrzahl von Paaren von Kontakthälften mit einem MikroController in einer Matrix-artigen Weise verschaltet, um die Anzahl der notwendigen Leitungen zu reduzieren.
Ein potentieller Angriff auf eine solche herkömmliche Tastatur, um mit Hilfe der Tastatur eingegebene Daten abzuhören oder zu manipulieren, könnte darin bestehen, die einer Taste zugeordneten Kontakthälften von außen elektrisch zu kontaktieren, so dass ein Betätigen der Taste von einem externen Angreifer detektiert werden könnte. Anstatt einzelne Tasten abzugreifen, könnte auch die gesamte Tastatur abgehört werden, indem eine Auswerteschaltung an die Tastaturmatrix angeschlossen würde. Dies kann insbesondere angesichts freiliegender, elektrisch kontaktierbarer Kontakthälften einfach möglich sein.
Es sind weiterhin herkömmliche Tastaturen bekannt, bei denen anstatt elektrisch überbrückbarer Kontakthälften kapazitive Elemente vorgesehen sind. Dabei ist jeweils einem Tastenfeld der Tastatur ein kapazitives Element zugeordnet. Die Kapazität bzw. der Kapazitätswert eines kapazitiven Elementes ändert sich je nachdem, ob das Tastenfeld betätigt wird oder nicht. Eine mit den kapazitiven Elementen verbundene Messelektronik kann somit aufgrund eines sich ändernden Kapazitätswertes eines kapazitiven Elements detektieren, ob ein Tastenfeld betätigt wurde.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass auch solche mit kapazitätssensitiven Tastenfeldern versehene Tastaturen manipuliert werden können.
Es besteht daher ein Bedarf an einer Tastatur, bei der ein Abhören bzw. eine Manipulation von eingegebenen Daten zumindest erschwert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesem Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch entsprochen werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unter anderem in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Tastatur beschrieben, die eine Mehrzahl von Tastenfeldern, eine Mehrzahl von kapazitiven Elementen und eine Messelektronik aufweist. Jedes kapazitive Element ist dabei einem Tastenfeld zugeordnet und dazu ausgelegt, bei Betätigen des ihm zugeordneten Tastenfeldes seinen Kapazitätswert zu ändern. Die Messelektronik dient zur Messung des Kapazitätswerts eines jeden der kapazitiven Elemente. Die Messelektronik ist dabei dazu ausgebildet, eine Änderung des Kapazitätswertes eines der kapazitiven Elemente zwischen einem in einem ersten Kapazitätwertbereich liegenden Nichtbetätigungsniveau und einem in einem zweiten Kapazitätwertbereich liegenden Betätigungsniveau zu detektieren und daraufhin ein Betätigungssignal auszugeben. Die Messelektronik ist ferner dazu ausgebildet, eine Änderung des Kapazitätswertes des einen kapazitiven Elements zwischen dem in dem ersten Kapazitätwertbereich liegenden Nichtbetätigungsniveau und -A -
einem oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs liegenden Manipulationsniveau zu detektieren und daraufhin ein Alarmsignal auszugeben.
Anders ausgedrückt kann die vorliegende Erfindung als auf der folgenden Idee basierend angesehen werden: Eine mit einer Mehrzahl von kapazitiven Elementen versehene Tastatur ist mit Hilfe ihrer Messelektronik nicht nur dazu in der Lage, zwischen einem betätigten Zustand und einem nicht betätigten Zustand einer Taste bzw. eines Tastenfeldes zu unterscheiden, sondern sie kann darüber hinaus auch detektieren, wenn sich der Kapazitätswert eines kapazitiven Elementes über einen oberen Grenzwert hinaus erhöht, was die Messelektronik dann zur Ausgabe eines Alarmsignals veranlasst.
Eine Funktionsweise der erfindungsgemäßen Tastatur kann wie folgt verstanden werden: So lange ein Tastenfeld der Tastatur nicht betätigt wird, liegt der Kapazitätswert des diesem Tastenfeld zugeordneten kapazitiven Elements innerhalb eines ersten Kapazitätwertbereichs. Dieser als Nichtbetätigungsniveau bezeichnete Kapazitätswert braucht nicht notwendigerweise ein fester, konstanter Wert zu sein. Das Nichtbetätigungsniveau kann beispielsweise aufgrund von Klimaeinflüssen geringfügig schwanken. Der erste Kapazitätwertbereich kann dabei so gewählt sein, dass der Kapazitätswert eines kapazitiven Elements trotz solcher vorhersehbarer Schwankungen im Normalbetrieb der Tastatur stets innerhalb des ersten Kapazitätwertbereichs bleibt, solange die zugehörige Taste bzw. das zugehörige Tastenfeld nicht gezielt betätigt wird.
Wenn ein Tastenfeld betätigt wird, beispielsweise durch direktes händisches Berühren des Tastenfeldes durch einen Anwender oder durch Niederdrücken einer darüber angeordneten Taste, ändert sich der Kapazitätswert des zugeordneten kapazitiven Elements aufgrund der zusätzlichen Kapazität des Fingers des Anwenders bzw. der Taste. Die Messelektronik ist derart ausgebildet, dass sie eine Änderung des Kapazitätswerts zwischen dem Nichtbetätigungsniveau und einem entsprechenden Betätigungsniveau detektieren kann und daraufhin ein Betätigungssignal ausgeben kann. Das Betätigungsniveau braucht dabei, ähnlich wie das Nichtbetätigungsniveau, kein fester Wert sein, sondern kann sich innerhalb eines Kapazitätwertbereichs befinden. Üblicherweise wird der zweite Kapazitätwertbereich, in dem sich das Betätigungsniveau befindet, oberhalb des ersten Kapazitätwertbereichs, in dem sich das Nichtbetätigungsniveau befindet, liegen, da der Kapazitätswert des kapazitiven Elements bei Betätigung in der Regel zunimmt.
Das von der Messelektronik gelieferte Betätigungssignal kann beispielsweise an eine Auswerteelektronik weitergeleitet werden, die dem zu einem bestimmten kapazitiven Element zugeordneten Betätigungssignal beispielsweise einen bestimmten Datenwert zuordnen kann. Auf diese Weise kann durch sukzessives Betätigen unterschiedlicher Tastenfelder der Tastatur ein Datensatz wie z.B. eine PIN eingegeben werden.
Die Messelektronik der erfindungsgemäßen Tastatur ist jedoch nicht nur in der Lage, eine Kapazitätwertänderung zwischen einem Nichtbetätigungsniveau und einem Betätigungsniveau zu detektieren. Sie ist darüber hinaus dazu ausgebildet, auch eine Änderung des Kapazitätswertes eines kapazitiven Elements hin zu einem oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs liegenden Manipulationsniveau zu detektieren und daraufhin ein Alarmsignal auszugeben. Mit anderen Worten kann der zweite Kapazitätwertbereich nicht nur eine untere Grenze haben, oberhalb der die Messelektronik eine Betätigung des zugehörigen Tastenfeldes erkennt, sondern auch eine obere Grenze, oberhalb der die Messelektronik nicht mehr von einer Betätigung des zugehörigen Tastenfeldes ausgeht, sondern von einer Manipulation der Tastatur.
Anders ausgedrückt kann die Messelektronik erkennen, wenn sich der Kapazitätswert eines kapazitiven Elements über einen oberen Grenzwert, bis zu dem unter Normalbedingungen von einer korrekten Betätigung des Tastenfeldes ausgegangen werden kann, bewegt. Bei einem solchen zu hohen Kapazitätswert geht die Messelektronik dann davon aus, dass die Tastatur in irgendeiner Weise manipuliert wurde und gibt ein Alarmsignal aus. Dieses Alarmsignal kann beispielsweise zur Erzeugung eines akustisch oder visuell wahrnehmbaren Alarms führen oder an eine Leitzentrale weitergegeben werden.
Die erfindungsgemäße Tastatur kann dabei ausnutzen, dass sich der Kapazitätswert eines kapazitiven Elementes in der Regel erhöht, wenn versucht wird, die Tastatur zu manipulieren. Zum Beispiel erhöht sich dieser Kapazitätswert, wenn im Rahmen eines Manipulationsversuchs eine Spionageelektronik parallel an ein kapazitives Element oder an sonstige in der Tastatur vorhandene elektronische Bauteile angeschlossen wird. Auch wenn im Rahmen eines Manipulationsversuchs eine drucksensitive Folie oder ein zusätzlicher Schaltkreis über der eigentlichen Tastatur angeordnet wird, um eine Betätigung von Tastenfeldern zu erkennen und an einen unbefugten Dritten weiterzugeben, erhöht sich in der Regel der Kapazitätswert der darunter liegenden kapazitiven Elemente der Tastatur. Bereits beim Vornehmen der manipulativen Maßnahmen kann sich dabei der Kapazitätswert so stark erhöhen, dass er als oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs liegendes Manipulationsniveau von der Messelektronik erkannt wird. Falls sich der Kapazitätswert allein aufgrund des Manipulationsversuchs jedoch nicht so stark erhöht, dass das Manipulationsniveau erreicht würde, so führt in der Regel zumindest die nächste Betätigung eines Tastenfeldes einer derart manipulierten Tastatur dazu, dass sich der entsprechende Kapazitätswert bis auf ein Manipulationsniveau erhöht, so dass spätestens dann ein Alarmsignal ausgegeben wird.
Im folgenden werden mögliche Merkmale, Einzelheiten und Vorteile sowie Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Tastatur im Detail diskutiert. Die Tastatur kann eine beliebige Mehrzahl von Tastenfeldern aufweisen. Beispielsweise kann die Tastatur 10 Tasten mit einer Nummerierung „0" bis „9" aufweisen, so dass ein beliebiger Zahlencode eingegeben werden kann. Es können aber auch Tastenfelder vorgesehen sein, denen Buchstaben oder sonstige Zeichen zugeordnet sind.
Ein Tastenfeld kann beispielsweise ein flächiger Bereich der Tastatur sein, den ein Anwender berühren bzw. niederdrücken kann, wenn er den dem Tastenfeld zugeordneten Dateninhalt eingeben will.
Ein kapazitives Element kann jedes beliebige elektronische Bauteil sein, das einen Kapazitätswert aufweist und das seinen Kapazitätswert bei Annäherung anderer kapazitiver Gegenstände ändern kann. Beispielsweise kann ein kapazitives Element als flächig angeordneter Kondensator ausgebildet sein, der in der Nähe einer Bedienungsoberfläche der Tastatur angeordnet ist. Wenn sich ein Gegenstand aus einem geeigneten, insbesondere dielektrischen Material der Bedienungsoberfläche nähert, ändert sich der Kapazitätswert des in dessen Nähe befindlichen kapazitiven Elements.
Die Messelektronik kann ein beliebiger Schaltkreis sein, der mit den kapazitiven Elementen elektrisch verbunden ist und der dazu in der Lage ist, deren jeweiligen augenblicklichen Kapazitätswert zu messen. Der von der Messelektronik gemessene Kapazitätswert kann analog oder digital aufgenommen und verarbeitet werden.
Die Messelektronik kann dazu in der Lage sein, zu erkennen, wenn sich der Kapazitätswert eines kapazitiven Elements in einem ersten Kapazitätswertbereich befindet, und dies dahingehend zu bewerten, dass das zugeordnete Tastenfeld derzeit nicht betätigt wird. Das innerhalb des ersten Kapazitätwertbereichs liegende Nichtbetätigungsniveau wird auch als „Baseline" bezeichnet. Die Messelektronik ist ferner in der Lage, zu erkennen, wenn sich der Kapazitätswert des kapazitiven Elements derart ändert, dass er sich in einem zweiten Kapazitätwertbereich befindet, woraufhin von einer Betätigung des zugeordneten Tastenfeldes ausgegangen wird.
Der erste und der zweite Kapazitätwertbereich können dabei fest vorgegebene und in die Messelektronik vorprogrammierte Bereiche sein. Alternativ können die Kapazitätwertbereiche nachträglich von einem Betreiber der Tastatur wählbar einprogrammiert werden. Als weitere Alternative ist das „intelligente Lernen" der Tastatur möglich, indem der Tastatur vorhersehbare Betriebsbedingungen unter bestimmten Umgebungsbedingungen vorgegeben werden und die Tastatur dann jeweils den einem nicht betätigten Zustand und einem betätigten Zustand zugehörigen Kapazitätswert erlernen kann.
Die Messelektronik ist außerdem dazu in der Lage, nicht nur zu erkennen, ob sich der gemessene Kapazitätswert innerhalb des ersten Kapazitätwertbereichs, des zweiten Kapazitätwertbereichs oder außerhalb beider Kapazitätwertbereiche befindet, sondern insbesondere, ob er sich oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs befindet. In einem solchen Fall geht die Messelektronik davon aus, dass die Tastatur manipuliert wurde, da sich der Kapazitätswert ansonsten nicht in einem solch hohen Wertbereich befinden dürfte. Sie gibt daraufhin ein Alarmsignal aus.
Die Messelektronik kann dabei derart eingerichtet sein, dass das Alarmsignal erst dann ausgegeben wird, wenn über eine vorbestimmte bzw. vorbestimmbare Mindestzeitdauer hinweg ein Kapazitätswert oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs gemessen wird. Auf diese Weise können Fehlalarme zum Beispiel aufgrund kurzzeitiger Schwankungen oder kurzzeitiger statischer Aufladungen weitgehend vermieden werden. Die Messelektronik befindet sich vorzugsweise innerhalb eines die Tastatur umgebenden bzw. bildenden Gehäuses. Insbesondere kann sich die Messelektronik in einem in besonderer Weise gegen Zugriff von außen geschützten Bereich des Gehäuses befinden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Messelektronik ferner dazu ausgebildet, eine Änderung des Kapazitätswerts eines der kapazitiven Elemente zwischen dem in dem ersten Kapazitätwertbereich liegenden Nichtbetätigungsniveau und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Kapazitätwertbereich liegenden Zwischenniveau zu detektieren und sofern das Zwischenniveau länger als eine vorbestimmte bzw. vorbestimmbare Zeitdauer detektiert wird, ein Warnsignal auszugeben.
Mit anderen Worten kann gemäß dieser Ausführungsform die Messelektronik nicht nur erkennen, wenn sich der Kapazitätswert eines kapazitiven Elements oberhalb einer Obergrenze des zweiten Kapazitätwertbereichs befindet, sondern auch, wenn er sich unterhalb des unteren Grenzwerts des zweiten Kapazitätwertbereichs, das heißt, zwischen dem ersten und dem zweiten Kapazitätwertbereich, befindet. Ein solcher auf einem Zwischenniveau befindlicher Kapazitätswert kann auf eine Manipulation der Tastatur hinweisen.
Da dieser Zwischenbereich jedoch beim Übergang zwischen einem Nichtbetätigungs- zustand zu einem Betätigungszustand zwangsläufig durchlaufen wird, geht die Messelektronik von einer Wahrscheinlichkeit eines Manipulationsversuchs erst dann aus, wenn sich der Kapazitätswert länger als eine bestimmte Zeitdauer auf einem solchen Zwischenniveau befindet.
Die bestimmte Zeitdauer kann dabei, je nach Anwendungsgebiet, im Bereich von wenigen Sekunden bis hin zu einigen Stunden betragen. Wenn die Messelektronik über einen derart langen Zeitraum erkennt, dass sich der Kapazitätswert eines bestimmten kapazitiven Elements weder auf einem Nichtbetätigungsniveau noch auf einem Betätigungsniveau, sondern irgendwo dazwischen befindet, gibt sie ein Warnsignal aus. Dieses Warnsignal kann beispielsweise von einer Auswerteelektronik empfangen werden.
Je nachdem, wie sensibel diese Auswerteelektronik eingestellt ist, kann sie das Warnsignal ähnlich wie ein Alarmsignal behandeln und einen Alarm verursachen, oder sie kann eine abgestufte Version eines Alarms, beispielsweise einen lediglich visuell wahrnehmbaren Alarm, verursachen. Alternativ kann sie abwarten, ob das Warnsignal eine bestimmte Zeitdauer hin aufrechterhalten wird, und erst dann einen Alarm auslösen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Tastenfelder an einer Oberfläche der Tastatur derart angeordnet, dass sie von einem Bediener händisch berührt werden können, wobei ein einem jeweiligen Tastenfeld zugeordnetes kapazitives Element derart angeordnet ist bzw. ausgelegt ist, dass sich sein Kapazitätswert bei händischer Berührung vom Nichtbetätigungsniveau zum Betätigungsniveau ändert.
Mit anderen Worten kann das kapazitive Element direkt auf oder knapp unterhalb einer Oberfläche der Tastatur angeordnet sein. Das kapazitive Element kann dabei nach außen hin offen liegen, d.h. die das kapazitive Element bildenden Bestandteile können nach außen hin frei liegen. Es ist jedoch bevorzugt, dass das kapazitive Element nach außen hin durch eine elektrisch isolierende Schicht beispielsweise in Form einer Folie, einer Lackschicht oder einer dünnen Glasplatte abgedeckt ist. Wenn sich ein Bediener mit seinem Finger einem Tastenfeld nähert und es schließlich berührt, ändert das daran bzw. knapp darunter angeordnete kapazitive Element seinen Kapazitätswert. Der erste und der zweite Kapazitätwertbereich sind dabei so gewählt, dass die Messelektronik ein Nichtbetätigungsniveau misst, solange keine Berührung durch den Finger stattfindet, und ein Betätigungsniveau misst, sobald eine Berührung stattfindet.
Eine solche Tastatur kommt ohne bewegliche Tasten aus. Es wird keine mechanische Betätigung, zum Beispiel aufgrund eines ausgeübten Drucks, detektiert, sondern eine Änderung eines Kapazitätswerts, der daraus resultiert, dass ein zusätzliches, vorzugsweise dielektrisches Medium, wie es auch von einem menschlichen Finger dargestellt wird, in die Nähe des Tastenfeldes gebracht wird und somit den Kapazitätswert des kapazitiven Elements ändert. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass solche Tastaturen eine ebene, einfach zu reinigende Oberfläche haben können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist einem Tastenfeld eine geprägte Folie zugeordnet.
Bei dieser Ausführungsform kann einem Bediener der Tastatur eine taktile Rückmeldung über die Betätigung eines Tastenfeldes gegeben werden. Die geprägte Folie kann derart ausgebildet sein, dass ein gewisser Mindestdruck auf sie ausgeübt werden muss, damit sie von einer nicht betätigten Konfiguration in eine betätigte Konfiguration umschnappt. In der nicht betätigten Konfiguration kann die geprägte Folie den Finger des Bedieners derart auf Abstand zu dem kapazitiven Element halten, dass dessen Kapazitätswert kaum beeinflusst wird und die Messelektronik somit von einem unbetätigten Zustand ausgeht. Erst wenn die geprägte Folie aufgrund des Fingerdrucks in die betätigte Konfiguration umgeschnappt ist, kommt der Finger bzw. ein dielektrisches Element an der zum kapazitiven Element hin gerichteten Oberfläche der Folie in die Nähe des kapazitiven Elements, so dass sich der gemessene Kapazitätswert entsprechend erhöht und die Messelektronik von einem Betätigungszustand ausgehen kann. Neben der taktilen Rückmeldung ermöglicht die geprägte Folie auch, dass der Übergang von der unbetätigten Konfiguration zur betätigten Konfiguration sehr schnell vonstatten geht, beispielsweise im Bereich von Millisekunden, so dass die Zeitdauer, während der sich der gemessene Kapazitätswert im Normalzustand der Tastatur in einem Wertbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Kapazitätwertbereich befindet, entsprechend kurz ist. Wenn ein entsprechendes Zwischenniveau bei dieser Ausführungsform der Tastatur über einen längeren Zeitraum anhält, kann von einer Manipulation der Tastatur ausgegangen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jedem Tastenfeld eine zwischen einer unbetätigten und einer betätigten Position verlagerbare Taste zugeordnet. Die Taste weist dabei ein Kapazitätswert-änderndes Element auf. Die Taste und das ihr zugeordnete kapazitive Element sind derart angeordnet bzw. ausgelegt, dass sich bei Verlagern der Taste von der unbetätigten in die betätigte Position der Kapazitätswert des kapazitiven Elements vom Nichtbetätigungsniveau zum Betätigungsniveau ändert.
Auch bei dieser Ausführungsform kann einem Bediener eine taktile Rückmeldung über die Betätigung einer Taste gegeben werden. Die Tastatur weist in dieser Ausführungsform ähnliche Vorteile und Eigenschaften auf wie die oben beschriebene Ausführungsform der Tastatur mit der geprägten Folie. Ein zusätzlicher Vorteil bei dieser Ausführungsform kann darin liegen, dass die mit bewegbaren Tasten ausgestattete Tastatur ähnliche Bedieneigenschaften haben kann wie herkömmliche Tastaturen. Einerseits braucht ein Bediener seine Bedienungsgewohnheiten nicht umzustellen, andererseits kann ein Angreifer von außen nicht im Vorhinein erkennen, dass es sich nicht um eine herkömmliche Tastatur mit durch mechanische Betätigung elektrisch überbrückbaren Kontakten handelt, sondern um eine erfindungsgemäße Tastatur mit kapazitiver Detektierung einer Betätigung der Tasten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Tasten in einer Schaltmatte angeordnet.
In dieser Ausführungsform ähnelt die Tastatur noch stärker einer herkömmlichen Tastatur. Im Extremfall kann es sogar genügen, die an den Tasten einer herkömmlichen Tastatur an der Unterseite vorgesehenen elektrisch leitendfähigen Kohlepillen bzw. Metallplättchen durch dielektrische Elemente zu ersetzen. Die sich einander gegenüberliegenden Kontakthälften einer herkömmlichen Tastatur werden dann bei Niederdrücken der Taste nicht mehr kurzgeschlossen. Da die beiden Kontakthälften jedoch auch eine Art Kondensator bilden, ändert sich der Kapazitätswert des durch die beiden Kontakthälften erzeugten kapazitiven Elements. Um die herkömmliche Tastatur in eine erfindungsgemäße Tastatur umzurüsten, muss dann lediglich noch die mit den Kontakthälften verbundene Messelektronik entsprechend umkonfiguriert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein kapazitives Element zu einem Äußeren der Tastatur hin durch eine elektrisch isolierende Schicht abgedeckt. Dadurch ist das entsprechende kapazitive Element nicht ohne weiteres von außen her elektrisch kontaktierbar. Die elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise ein Lack oder eine Folie, vorzugsweise eine selbstklebende Folie, sein. Vorzugsweise ist die elektrisch isolierende Schicht opak, so dass die darunter befindlichen kapazitiven Elemente von außen nicht gesehen werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eines der kapazitiven Elemente im Innern einer Leiterplatte aufgenommen.
Durch die Integration des kapazitiven Elements in die Leiterplatte kann dieses noch besser gegen Beschädigung bzw. gezielte Manipulation von außen geschützt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Tastatur ferner ein als Referenzgeber dienendes kapazitives Element auf, das nicht einem Tastenfeld zugeordnet ist.
Ein solches als Referenzgeber dienendes kapazitives Element kann in ähnlicher Weise aufgebaut sein wie die den Tastenfeldern zugeordneten kapazitiven Elemente. Es kann daher ein ähnliches elektrisches Verhalten aufweisen wie letztere, wobei es jedoch nicht einem Tastenfeld zugeordnet ist. Diese mangelnde Zuordnung kann dadurch geschehen, dass dieses zusätzliche kapazitive Element von außen her nicht als Tastenfeld erkennbar ist. Alternativ kann das zusätzliche kapazitive Element gezielt gegen eine Betätigung beispielsweise durch eine Berührung von außen geschützt sein.
Das als Referenzgeber dienende kapazitive Element kann beispielsweise bei der Definition des ersten Kapazitätwertbereichs verwendet werden. Sein Kapazitätswert kann als Nichtbetätigungsniveau für die den Tastenfeldern zugeordneten kapazitiven Elemente definiert werden. Da sich sein Kapazitätswert ähnlich wie derjenige der anderen kapazitiven Elemente aufgrund von Feuchtigkeitsschwankungen, Temperaturschwankungen, etc. ändert, wird somit das Nichtbetätigungsniveau bzw. die „Baseline" kontinuierlich den herrschenden Klimaeinflüssen nachgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messelektronik dazu ausgelegt, den Kapazitätswert eines jeden kapazitiven Elements zyklisch zu messen.
Mit anderen Worten können die einzelnen kapazitiven Elemente sukzessive nacheinander gemessen werden. Eine Messreihenfolge kann dabei statisch sein oder in vorgegebener bzw. alternativ zufälliger Weise zeitlich variiert werden. Sollte es einem Angreifer gelingen, die der Messelektronik zugänglichen Kapazitätsmesswerte auszuspähen, weiß er deswegen trotzdem noch nicht, welches der den unterschiedlichen Tastenfeldern zugeordneten kapazitiven Elemente die Messelektronik augenblicklich misst, so dass ein Ausspähen der über die Tastatur eingegebenen Daten zusätzlich erschwert wird.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform ist die Messelektronik der Tastatur programmierbar.
Eine solche programmierbare Messelektronik kann beispielsweise in Form eines PSoC®- Mikrocontrollers (Programmable System-on-Chip), der neben einem Mikrocontroller- Kern mit Flash und SRAM zusätzlich durch den Benutzer konfigurierbare Analog- und Digitalarrays aufweist und der z.B. von der Firma Cypress angeboten wird, realisiert sein. Mit diesen Arrays können verschiedenste Applikationen realisiert werden. Die Konfigurierung der Hardware kann sogar während der Laufzeit auf eine andere im Speicher abgelegte Konfigurierung umgeschaltet werden.
In der Messelektronik können zum Beispiel die Grenzwerte des ersten und zweiten Kapazitätwertbereichs programmiert werden. Außerdem können Zeitschwellen programmiert werden, die eingehalten werden müssen, damit die Messelektronik zum Beispiel ein Betätigungsniveau, Manipulationsniveau oder Zwischenniveau erkennt. Ferner können bestimmte Toleranzbereiche einprogrammiert werden. Außerdem kann die Reihenfolge eines sukzessiven Messvorgangs einprogrammiert werden. Optional kann eine Empfindlichkeit eines jeden kapazitiven Elements individuell eingestellt werden, so dass zum Beispiel ein „Ein"- Schalter eine längere Betätigung erfordert als ein normales Tastenfeld. Außerdem können in die Messelektronik unterschiedliche Auswerteverfahren implementiert werden und die ermittelten Daten gegebenenfalls sogar verschlüsselt werden. Um eine nachträgliche Anpassung der Tastatur an unterschiedliche Applikationen zu ermöglichen, kann die Messelektronik mittels geeigneter Firmware umkonfiguriert werden. Die Programmierbarkeit der Messelektronik erlaubt auch einen geringen externen Verschaltungsaufwand bei gleichzeitig kurzer Entwicklungszeit.
Es wird darauf hingewiesen, dass die oben im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausfuhrungsbeispielen beschriebenen Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Fig. 1 zeigt eine Tastatur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt beispielhaft das Verhalten des Kapazitätswerts eines kapazitiven Elements in verschiedenen Betriebszuständen der Tastatur.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tastatur.
Fig. 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tastatur.
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In verschiedenen Figuren sind gleiche oder identische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine erfindungsgemäße Tastatur 1, bei der kapazitive Elemente 3, die durch parallel zur Oberfläche der Tastatur 1 angeordnete flächige Metallschichten 5 gebildet sind, innerhalb einer Leiterplatte 7 ausgebildet sind. An der Unterseite der Leiterplatte 7 befindet sich eine Messelektronik 9, die durch vergrabene Durchsteiger 11 mit den die kapazitiven Elemente 3 bildenden Metallschichten 5 verbunden ist.
Die Messelektronik 9 ist dazu ausgelegt, den Kapazitätswert der einzelnen kapazitiven Elemente 3 bzw. eine Änderung des Kapazitätswertes zu messen und je nach gemessenem Kapazitätswert entweder ein Betätigungssignal, ein Alarmsignal, ein Warnsignal oder ein Nichtbetätigungssignal auszugeben.
Die Messelektronik 9 befindet sich innerhalb eines gesicherten Bereichs 13 unterhalb der eine Begrenzung nach außen hin bildenden Leiterplatte 7. Die Messelektronik 9 kann beispielsweise innerhalb des gesicherten Bereichs 13 durch eine Harzmasse verkapselt sein.
An einer nach außen gerichteten Oberfläche der Leiterplatte 7 ist eine Deckfolie 15 vorgesehen. An dieser Deckfolie können die Tastenfelder 17, die von einem Bediener durch seinen Finger betätigt werden können, durch eine Bedruckung optisch hervorgehoben sein.
Die Messung des Kapazitätswerts der kapazitiven Elemente 3 lässt sich mit Hilfe der Messelektronik 9 auf verschiedene Arten realisieren, beispielsweise mittels eines Capacitance-to-Digital- Konverters. Prinzipiell werden nacheinander alle Tastenfelder 17 bzw. deren zugeordnete kapazitiven Elemente 3 einzeln abgefragt und nach einem Abfragezyklus wird das Ergebnis einer Auswerteschaltung (nicht dargestellt) zur Verfügung gestellt.
Die Messelektronik 9 kann mittels eines PSoC-Mikrocontrollers, wie er beispielsweise von der Firma Cypress Semiconductor als sogenanntes CapSense-Modul vertrieben wird und welcher ein Kapazitätsmessinterface zur Verfügung stellt, implementiert sein. Hier kann eine spezielle PSoC-Serie mit zusätzlichem Analog-Multiplexer gewählt werden, um die Anzahl der möglichen Messkanäle (Tastenfelder) zu erweitern. Außerdem wird das Digitalinterface zur Übertragung der Tastencodes an die Auswerteschaltung gewählt. Zur Verfügung stehen ein I2C-BuS, ein UART (nur Transmit) oder auch Port-Pins, die per Software angesteuert werden. Eventuell sollte auch ein Interrupt- Ausgang ergänzt werden, um betätigte Tasten schnell zu signalisieren. Abschließend werden die Softwaremodule für Kapazitätsmessung und Datenübertragung konfiguriert und die Firmware für die Gesamtfunktion erstellt.
Fig. 2 zeigt den von der Messelektronik 9 gemessenen Kapazitätswert C in verschiedenen Betriebszuständen der Tastatur 1.
Während eines ersten Nichtbetätigungszustandes 101, bei dem ein Bediener mit seinem Finger nicht in die Nähe der Oberfläche der Tastatur im Bereich des gerade ausgelesenen Tastenfeldes kommt, liegt der gemessene Kapazitätswert C innerhalb eines ersten Kapazitätwertbereichs 201. Aufgrund von Umwelteinflüssen kann der Kapazitätswert innerhalb der oberen und unteren Grenze des ersten Kapazitätwertbereichs 201 leicht variieren. Berührt ein Anwender mit seinem Finger ein Tastenfeld 17, so steigt in einem Betätigungszustand 103 der gemessene Kapazitätswert C aufgrund der zusätzlichen von dem Finger bewirkten Kapazität auf ein innerhalb eines zweiten Kapazitätwertbereichs 203 liegendes Betätigungsniveau an. Aufgrund verschiedener Einflüsse, wie zum Beispiel der Größe des Fingers, dem Handschweiß, dem Anpressdruck und damit zusammenhängend der Andruckfläche, etc. kann der gemessene Kapazitätswert des Betätigungsniveaus innerhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs 203 variieren.
Wird der Finger wieder von der Tastatur entfernt, begibt sich der Kapazitätswert C wieder zurück auf das Nichtbetätigungsniveau, anfangs eventuell mit einer geringfügigen Hysterese, siehe Schritt 105.
Bei einem Versuch, die Tastatur zu manipulieren, beispielsweise durch Kontaktieren der die kapazitiven Elemente 3 bildenden Metallflächen 5, wird eine zusätzliche Kapazität bewirkt. Alternativ kann ein Manipulationsversuch darin bestehen, dass über die Deckfolie 15 eine zusätzliche, drucksensitive Folie angeordnet wird, die mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, die es einem Angreifer erlaubt, zu erkennen, welches der Tastenfelder gerade betätigt wird. Wie in Schritt 107 dargestellt, steigt daher der von der Messelektronik 9 gemessene Kapazitätswert C über die obere Grenze des ersten Kapazitätwertbereichs 201 hin an. Dabei kann der Kapazitätswert C dauerhaft innerhalb eines Bereichs zwischen dem ersten und dem zweiten Kapazitätwertbereich liegen, was von der Messelektronik als Zeichen für eine Manipulation ausgelegt werden kann, woraufhin diese ein Warnsignal abgeben kann.
Alternativ kann, wie dies in Schritt 109 dargestellt ist, schon allein durch den Manipulationsversuch oder spätestens bei Betätigen eines Tastenfeldes der manipulierten Tastatur durch einen Benutzer der von der Messelektronik 9 gemessene Kapazitätswert C über die Obergrenze des zweiten Kapazitätwertbereichs 203 hin ansteigen. Dies signalisiert der Messelektronik 9 eindeutig, dass die Tastatur manipuliert wurde, da solch hohe Kapazitätswerte C ohne eine Manipulation nicht vorliegen dürfen. Die Messelektronik 9 gibt daher ein Alarmsignal aus, das zur Erzeugung eines akustisch oder visuell wahrnehmbaren Alarms, einer Übermittlung eines entsprechenden Signals an eine Leitzentrale oder das komplette Stilllegen der Tastatur führen kann.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgestalteten Tastatur 1 '. Hierbei befinden sich in der Deckfolie 15' an den Bereichen der Tastenfelder 17 geprägte Regionen 19, in denen die Deckfolie 15' nach oben gewölbt und von der Oberfläche der Leiterplatte 7 beabstandet ist. Bei Betätigung eines Tastenfeldes 17 muss vom Finger eines Anwenders ein gewisser Mindestdruck auf die geprägte Folie 15' ausgeübt werden, bevor diese nach unten schnappt. Durch das Umschnappen kommt der Finger dem darunter angeordneten kapazitiven Element 3 plötzlich näher und erhöht auf diese Weise den dort gemessenen Kapazitätswert.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tastatur 1 " wurde die Deckfolie durch eine Schaltmatte 21 ersetzt. Integral ausgebildet mit der Schaltmatte sind Tasten 23, an deren unterer, zur Oberfläche der Leiterplatte 7 hin gerichteten Oberfläche Kapazitätswert-ändernde Elemente 25 in Form von dielektrischen Plättchen angeordnet sind.
Solange die Tasten 23 nicht niedergedrückt sind, sind die Kapazitätswert-ändernden Elemente 25 so weit von den darunter liegenden kapazitiven Elementen 3 beabstandet, dass sie deren Kapazitätswert kaum beeinflussen. Wird eine Taste 23 von einem Anwender niedergedrückt, kommt das entsprechende Kapazitätswert-ändernde Element 25 in die Nähe bzw. direkt an die Oberfläche der Leiterplatte 7 und somit in die Nähe des darin integrierten kapazitiven Elements 3 und ändert dessen Kapazitätswert so stark, dass er innerhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs 203 kommt und somit als Betätigungsniveau detektiert wird.
Insbesondere bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Tastatur können sich die folgenden Vorteile ergeben:
- bei dem kapazitiven Messverfahren ist kein direktes Tracen der Tasten bzw. Tastenfelder möglich;
- die als Sensorflächen wirkenden kapazitiven Elemente können in eine Innenlage der Leiterplatte gelegt werden, so dass bei einem Manipulationsversuch zuerst darüber befindliche Tastenpads frei gefräst werden müssten;
- weiterhin stellt jede zusätzlich angeschlossene Leitung und nachfolgende Elektronik eine weitere parallel geschaltete kapazitive Last dar, die von der Messelektronik bemerkt werden kann. Hier kann dann zum Beispiel durch einen stillen Alarm an den als Auswerteschaltung dienenden Hauptcontroller reagiert werden;
- durch die flexible Struktur des PSoC kann auf weitere Anforderungen flexibel reagiert werden. So kann die Reihenfolge der Tastenabfrage in einem Zyklus permanent geändert werden oder die Übertragung zu einem Hauptcontroller proprietär genutzt werden. Während des Betriebs der Tastatur kann das Grundniveau der kapazitiven Elemente adaptiv angepasst werden, um Effekten wie Temperatur und Luftfeuchte Rechnung zu tragen. Hierzu und auch zur Manipulationserkennung kann eventuell ein als Referenz dienendes zusätzliches kapazitives Element ohne Tastenfunktion sinnvoll sein. Zusätzlich kann die Schaltschwelle und Hysterese für jedes einzelne Tastenfeld individuell eingestellt werden;
- es ist weiterhin denkbar, den Auswertebaustein bzw. die Messelektronik in die Leiterplatte selbst zu verlagern und so den Angriff auf den Chip selber zu erschweren bzw. zu verhindern. Gegenüber herkömmlichen Tastaturen mit Kontaktflächen kann die erfindungsgemäße kapazitive Tastatur ferner folgende Vorteile haben:
- ein Anschließen einer Auswerteschaltung ohne Einfluss auf die Funktionalität der Tastatur ist nahezu unmöglich;
- eine Realisierung von Tastaturen mit glatter Oberfläche, die leicht zu reinigen ist, ist möglich;
- Staub und Schmutz haben kaum Einfluss auf die Funktionalität der Tastatur;
- die Kontaktflächen der Tastenfelder weisen keine Abnutzungserscheinungen auf.
Insbesondere wenn die Messelektronik programmierbar ausgeführt ist, können ferner folgende Vorteile erreicht werden:
- es ergibt sich ein geringer externer Schaltungsaufwand;
- kurze Entwicklungszeiten können erreicht werden;
- eine Kalibrierung über Firmware ist möglich;
- eine flexible und programmierbare Datenkommunikation mit einem Hauptcontroller, und eventuell auch mit Datenverschleierung oder Datenverschlüsselung, ist möglich;
- eine Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel Temperatur, Feuchtigkeit, etc., ist während des Betriebs der Firmware möglich;
- eine Anzahl der Tastenfelder und eine Reihenfolge von deren Abfrage ist konfigurierbar; eine Empfindlichkeit kann für jeden Sensor individuell eingestellt werden;
- unterschiedliche Auswerteverfahren können implementiert werden und eine Konfiguration der Hardware kann während der Laufzeit geändert werden.
Bauteiltoleranzen können über die Firmware ausgeglichen werden.
Auch weitere Ausgestaltungen, wie sie aufgrund der kapazitätssensitiven Tastenfelder möglich sind, können in die erfindungsgemäße Tastatur integriert werden. Beispielsweise können die Tastenfelder auch als Schieberegler ausgebildet werden, um zum Beispiel Kontrast-, Lautstärke- oder Helligkeitswerte stufenlos einstellen zu können. Die kapazitiven Elemente können mit Hilfe durchsichtiger Leiter wie zum Beispiel ITO (Indium Tin Oxide) ausgebildet werden, so dass hinter den kapazitiven Elementen ein Bildschirm beispielsweise in Form von LCDs angeordnet werden kann und die Tastatur in Form eines Touch-Pads ausgebildet werden kann.
Abschließend wird angemerkt, dass die Ausdrücke wie „aufweisend" oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei daraufhingewiesen, dass „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
BEZUGSZEICHENLISTE
I Tastatur
3 kapazitives Element 5 Metallschicht 7 Leiterplatte 9 Messelektronik
I 1 vergrabene Durchsteiger 13 gesicherter Bereich
15 Deckfolie
15' geprägte Deckfolie
17 Tastenfeld
19 geprägte Regionen
21 Schaltmatte
23 Taste
25 Kapazitätswert-änderndes Element
101 Nichtbetätigungszustand
103 Betätigungszustand
105 Nichtbetätigungszustand
107 Manipulationszustand
109 Manipulationszustand
201 erster Kapazitätwertbereich
203 zweiter Kapazitätwertbereich

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Tastatur (1), aufweisend: eine Mehrzahl von Tastenfeldern (17); eine Mehrzahl von kapazitiven Elementen (3), wobei jedes kapazitive Element (3) einem Tastenfeld (17) zugeordnet ist und wobei jedes kapazitive Element (3) dazu ausgelegt ist, bei Betätigen des ihm zugeordneten Tastenfeldes (17) seinen
Kapazitätswert zu ändern; eine Messelektronik (9), die zur Messung des Kapazitätswertes eines jeden der kapazitiven Elemente (3) ausgebildet ist; wobei die Messelektronik (9) dazu ausgebildet ist, eine Änderung des
Kapazitätswertes eines der kapazitiven Elemente (3) zwischen einem in einem ersten
Kapazitätwertbereich (201) liegenden Nichtbetätigungsniveau und einem in einem zweiten Kapazitätwertbereich (203) liegenden Betätigungsniveau zu detektieren und daraufhin ein Betätigungssignal auszugeben; wobei die Messelektronik (9) ferner dazu ausgebildet ist, eine Änderung des
Kapazitätswertes des einen kapazitiven Elementes (3) zwischen dem in dem ersten
Kapazitätwertbereich (201) liegenden Nichtbetätigungsniveau und einem oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs (203) liegenden Manipulationsniveau zu detektieren und daraufhin ein Alarmsignal auszugeben.
2. Tastatur nach Anspruch 1 , wobei die Messelektronik (9) ferner dazu ausgebildet ist, eine Änderung des Kapazitätswertes des einen kapazitiven Elementes (3) zwischen dem in dem ersten Kapazitätwertbereich (201) liegenden Nichtbetätigungsniveau und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Kapazitätwertbereich (201, 203) liegenden Zwischenniveau zu detektieren und sofern das Zwischenniveau länger als eine vorbestimmbare Zeitdauer detektiert wird, ein Warnsignal auszugeben.
3. Tastatur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Tastenfelder (17) an einer Oberfläche der Tastatur derart angeordnet sind, dass sie von einem Bediener händisch berührt werden können und wobei ein einem jeweiligen Tastenfeld zugeordnetes kapazitives Element (3) derart angeordnet und ausgelegt ist, dass sich sein Kapazitätswert bei händischer Berührung vom Nichtbetätigungsniveau zum Betätigungsniveau ändert.
4. Tastatur nach Anspruch 3, wobei einem Tastenfeld (17) eine geprägte Folie (15') zugeordnet ist.
5. Tastatur nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedem Tastenfeld (17) eine zwischen einer unbetätigten und einer betätigten Position verlagerbare Taste (23) zugeordnet ist, wobei die Taste (23) ein Kapazitätswert-änderndes Element (25) aufweist und wobei die Taste (23) und das ihr zugeordnete kapazitive Element (3) derart angeordnet und ausgelegt sind, dass sich bei Verlagern der Taste (23) von der unbetätigten in die betätigte Position der Kapazitätswert des kapazitiven Elements (3) vom Nichtbetätigungsniveau zum Betätigungsniveau ändert.
6. Tastatur nach Anspruch 5, wobei die Tasten (23) in einer Schaltmatte (21) angeordnet sind.
7. Tastatur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein kapazitives Element (3) zu einem Äußeren der Tastatur (1) hin durch eine elektrisch isolierende Schicht (15) abgedeckt ist.
8. Tastatur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein kapazitives Element (3) im Innern einer Leiterplatte (7) aufgenommen ist.
9. Tastatur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend ein als Referenzgeber dienendes kapazitives Element (3), dass nicht einem Tastenfeld (17) zugeordnet ist.
10. Tastatur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Messelektronik (9) dazu ausgelegt ist, den Kapazitätswert eines jeden kapazitiven Elementes (3) zyklisch zu messen.
11. Tastatur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Messelektronik (9) programmierbar ist.
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