Displaytrends: Die Zukunft der PCAP-Touchtechnologie

Data Modul entwickelt "Force-Touchdisplays"
Data Modul entwickelt "Force-Touchdisplays"

Bei Touchdisplays tendieren Industrie- wie Endverbrauchermarkt zu bedarfsorientierten und mehrwertigen Bedienkonzepten. Drei aktuelle Entwicklungen der PCAP-Touchtechnologie werden vorgestellt.

Die PCAP-Touchtechnologie hat sich bei Alltagsanwendungen wie Smartphones oder Tablet-PCs durchgesetzt. Auch in Industrieprodukten werden PCAP-Touches Branchen-übergreifend eingesetzt. Mit Ausnahme der resistiven Touchscreens, kommen andere Touchtechnologien wie »Surface-Acoustic-Wave«, »Surface-Capacitive« oder Infrarot, nur noch in Speziallösungen vor. Der PCAP-Touchsensor ist hinsichtlich Wasser- und Handschuhbedienung, erweitertem Temperaturbereich, EMV-Konformität und Anforderungs-spezifischer  Aufbaumöglichkeiten (SITO-Touches, OGS-Touches, Film/Film- und Glas-Touches) ausgereift. Auch der technologisch hochspezialisierte »Optical-Bonding«-Bereich ist weit über die  Entwicklungs- und Lernphase hinaus: Produktions- und Assemblierungsprozesse laufen stabil und voll beherrschbar.
Mit steigender Industrienachfrage hat der »Optical-Bonding«-Spezialist Data Modul seine Produktionskapazitäten im Jahr 2016 nahezu verdoppelt. Den nächsten Entwicklungsschritt stellen bedarfsorientierte und mehrwertige Bedienkonzepte, die auf der bestehenden projizierend kapazitiven Technologie aufbauen. Drei aktuelle Entwicklungen der PCAP-Touchtechnologie werden vorgestellt.

PCAP mit haptischem Feedback

Die Blickkontakt-freie Gerätebedienung wird mit der direkten Kraftantwort zur Bestätigung der Sensorinteraktion erleichtert: Der Anwender erkennt die Fingerposition auf dem Sensorfeld durch fühlbares Feedback. Diese Erweiterung ist in medizinischen Applikationen nützlich, in denen der Anwender den Patienten neben dem Bildschirm im Auge behalten muss. Weitere Einsatzgebiete sind Automotive und die Unterhaltungsindustrie. Viele Anwendungen kommen noch ohne blinde Touchbedienung aus. Der Nutzen eines haptischen Feedbacks bleibt überschaubar, Benutzern genügt in der Regel schon der Oberflächenkontakt als Interaktionsbestätigung. Zudem ist die Integration dieser Zusatzfunktion in eine Applikation komplex und kostenintensiv: Für die mechanische Integration der taktilen Feedbackgeber (Vibrationsmotoren, Piezoelemente, lineare Antriebe) muss das mechanische Konzept vollständig überarbeitet werden.
Zur Kraftübertragung ist die Oberfläche schwimmend ins Gehäuse eingepasst. Die bewegte Masse (meistens Touch- und Coverglas) ist dabei ein erheblicher Faktor: In Industrieanwendungen werden über 2 mm dicke Covergläser bewegt. Das Optimierungsproblem wägt Variablen wie Systemstabilität, Lebensdauer, Leistungsaufnahme und Krafteinwirkung auf Verbindungselemente ab. Das haptische Feedback ist in Verbraucher- wie Industrieanwendungen wenig beachtet.

Hover Gesture - Berührungsfreie Bedienung
 
»Hover-Gesture« bezeichnet die berührungsfreie Interaktion durch Gesten im kartesisch definierten Raum. Die Gesten werden durch elektromagnetische Felder oder Kamerasysteme über der Bildschirmoberfläche erfasst. Das Display-GUI wird dabei nicht durch Finger verdeckt, die Sicht auf den Bildschirm bleibt frei. Der Touchsensor muss nicht im Auge behalten werden, das Display wird kaum verschmutzt.
Gesten müssen aber erst erlernt werden: Ein Touchgeräte-erfahrener Benutzer berührt die Bildschirmoberfläche aus Gewohnheit. Die ausbleibende Antwort wird oft negativ empfunden. Außerdem fordert die Umstellung eines HMI-Systems auf Gestensteuerung umfangreiche GUI-Anpassungen: Letztendlich muss die Benutzerfreundlichkeit neu bedacht werden. Das Sicherheitsmanagement dieser Technologie in der Industrie ist noch nicht ausgereift. Zum Einsatz kommen vor allem redundante Systeme, Hover-Gesture hingegen begünstigt die Falschauslösung durch Fehlinterpretation.
Kamera-basierte Erkennung von Gesten wurde bisher erfolgreich in Gaming- und Automotive-Applikationen integriert. Bei Mobiltelefonen floppte die Markteinführung, einzelne Modelle dieser Technologie waren nur kurzzeitig verfügbar.
Für Handheld- und mobile Geräte haben weder Verbraucher- noch Industriemarkt großen Bedarf.

Force- und 3D-Touch

Force- und 3D-Touch ist die PCAP-Touchtechnologie mit dem größten Entwicklungspotenzial, drei unterschiedliche Entwicklungslinien werden verfolgt.
Die »Force-Touch«-Entwicklung erfasst die Z-Achsen-Variation und damit die Druckstärke durch Messung der Touchpunktfläche. Die Krafteinwirkung kann mit weiteren Drucksensoren quantifiziert werden: Bei Handheldgeräten mit dünnen Covergläsern über die Oberflächenbiegung des Glases. 
Die Druckstärke auf der Touchoberfläche bestimmt die Force-Touch-Interaktion. Eine dadurch vielfach erweiterte Menüebene bietet neue Bedienmöglichkeiten: Eingabedruckerhöhung ersetzt den klassischen »Rechtsklick« auf der Maus.
Die in der Industrieproduktion notwendige redundante Signalauswertung wird bei Force-Touch-Anwendungen mit, um zusätzliche Auswerteelektronik (z. B. Kraftsensoren) erweiterte Touchcontroller, erreicht. Zur Sicherheit kann die Funktionsauslösung auf Signalabgleich beschränkt werden, eine essenzielle Anforderung der Medizintechnik. Die PCAP-Bedieneinheit ist damit unanfällig gegenüber leitenden Flüssigkeiten, da trotz Elektrodenkurzschluss der Touchsensor nicht ohne zusätzlichen Druck auslöst. Data Modul konzentriert sich in der mehrwertigen industriellen PCAP-Entwicklung auf Force-Touch und speziell die Auswertung mittels im Randbereich integrierter Kraftsensoren. Industrielle Covergläser (> 2 mm) sind in der Regel zu dick zur Oberflächenbiegemessung am Touchglas, hochauflösende Touchsensoren sind bei großen Diagonalen (>15,6") schwer realisierbar.
Eine bestehende Technologie aus TFT, Touch, Coverglas mit Optical Bonding wird nahezu unverändert erweitert,
der Industriekunde muss nicht auf bestehende Vorteile (z. B. vollflächiges Schutzglas der Touchtechnologie) verzichten.
Die Erweiterung der Standard PCAP-Force-Touch-Systeme in bestehenden Kundenapplikationen ist dennoch anspruchsvoll. Die Toucheinheit liefert Touchkoordinaten und Kraftwerte pro Koordinate zur Auswertung. Diese müssen für die Software interpretierbar sein. Deshalb wird eine entsprechende Anpassung der Kundensoftware und der graphischen Oberfläche bei der Produktentwicklung/-umrüstung berücksichtigt.
Während landläufige Betriebssysteme Standard-PCAP-Touches erkennen, benötigen Force-Touch-Systeme proprietäre Treiberlösungen. Noch fehlen standardisierte Interfaces, Insellösungen sind machbar und werden von Data Modul unterstützt.
 
Fazit: Die im Verbrauchermarkt etablierte PCAP-Touchtechnologie ist zunehmend in Industrieanwendungen gefragt. Gerade im Medizinbereich bringt ihre redundante Erweiterung deutlichen Mehrwert. Eine Herausforderung bleibt die Integration von Sensoren zur Messung der Kraftaufnahme oder der Touch-auslösenden Fläche. Letzteres zieht spezielle, nicht standardisierte Touchcontroller und hochauflösende Touchsensoren nach sich. Auch diese Technologie wird über kurz oder lang entwickelt. 

Nach dem positiven Feedback der electronica 2016 stellt Data Modul auf der embedded world 2017 einen verbesserten Prototypen vor. Die Marktresonanz wird zeigen, welche der PCAP-Erweiterungen sich in der Zukunft durchsetzen. Denkbar sind auch Kombinationen unterschiedlicher Technologien wie Haptik und Force-Touch.