Touch-Displays Die Tücken der PCAP-Integration

Resistive Touchscreens lassen sich nicht so ohne Weiteres durch kapazitive Touchscreens (PCAP) austauschen. Die Auswahl des Touch-Controller und das Cover-Material spielen eine wichtige Rolle. Darüber hinaus können leitungsgebundene Störungen auftreten, die es zu berücksichtigen gilt.

Das Bedienkonzept vieler Anwendungen im Alltag oder auch in der Industrie baut nach wie vor auf ein altbewährtes Eingabesystem: den resistiven Touchscreen. Er reagiert auf Druck und kann ohne großen Aufwand auf ein passendes Display aufgeklebt und über einen einfachen USB-Controller ausgewertet werden. Der Four-Wire Touch (Vierdraht), die einfachste und älteste Konstruktion, und der Five-Wire Touch (Fünfdraht) sind die am häufigsten eingesetzten Varianten. Für industrielle Anwendungen gibt es neben der einfachen Funktionsweise und der schnellen Integration weitere Vorteile. Dazu gehört etwa die Bedienung mit einem Handschuh und vergleichbar schmale Ränder.

Bei einer Neuentwicklung oder dem Re-Design, beispielsweise eines HMI-Systems, bietet der Markt jedoch neue Möglichkeiten. Die Industrie folgt hier dem Trend der Konsumelektronik, weg von resistiven Touchscreens und hin zu projiziert-kapazitiven Touchscreens (PCAP). PCAP-Systeme besitzen gegenüber resistiven Systemen den großen Vorteil, dass sie sich auch durch geschlossene Glas- oder Kunststoffoberflächen bedienen lassen. Dazu kommt, dass sich typische Eingabeelemente wie zum Beispiel die Zoom-Funktion mit zwei Fingern oder Multitouch über einen resistiven Touchscreen nur schwer bis gar nicht realisieren lassen. Da HMI-Systeme heutzutage nicht nur ein Funktionselement sind, sondern auch gewissen Design- und Bedienansprüchen genügen müssen, bietet der PCAP-Touch-Sensor herausragende Vorteile.

Allerdings sollten Designvorgaben niemals das bestimmende Element des PCAP-Gesamtsystems sein. Im Vordergrund müssen immer die Touch-Funktion und die Touch-Empfindlichkeit stehen. Bereits die Auswahl des falschen Cover-Materials in Verbindung mit dessen Dicke kann zu einer erheblichen Einschränkung des Touch-Verhaltens führen. Daher ist es schon bei der Konstruktion des Gerätes wichtig, das Augenmerk auf die technisch notwendigen Aspekte zu legen, welche ein PCAP-System mit sich bringt.

Controller-Auswahl ist wichtig

Noch vor einigen Jahren war die Auswahl der am Markt erhältlichen Controller-ICs sehr begrenzt. Heute führt fast jeder Halbleiterhersteller einen IC in seinem Portfolio, der entweder PCAP-Buttons oder PCAP-Displays ansteuert. Hier sind jedoch eindeutige Unterschiede im weltweiten Marktanteil zu erkennen. Während in Europa die großen Halbleiterhersteller wie Atmel mit der maXTouch-Reihe, EETI oder Cypress am stärksten vertreten sind, sind es in Asien eher kleinere und regionale Anbieter, wie Pixcir oder Solomon.

Um den industriellen Anforderungen wie Langzeitverfügbarkeit, Robustheit und Störfestigkeit (EMV) gerecht werden zu können, muss der richtige Partner gefunden werden. So entscheiden häufig nicht zuletzt die ausgefeilten Signalverarbeitungsalgorithmen im Touch-Controller, die für die Filterung der Touch-Rohdaten verantwortlich sind, über das Bestehen oder Nichtbestehen der Störfestigkeitsprüfung beispielsweise nach EN 61000-4-6. Die Forderung nach höheren Feldstärken bei der Störfestigkeitsprüfung von bis zu 30 V/m oder gar 100 V/m stellen auch für die modernsten Controller eine Herausforderung dar.

Zum Beispiel basiert das PCAP-System „easyTOUCH“ von Data Modul auf den maXTouch-Controllern der Firma Atmel. Die Controller für größere Touch-Display-Diagonalen basieren dabei mittlerweile sogar auf einem 32-bit-Prozessorkern, der ausreichend Rechengeschwindigkeit zur Verfügung stellt.

Auswahl des Cover-Materials

Als Cover-Material bezeichnet man die oberste, transparente Schutzschicht, die sowohl den Touchscreen integriert als auch vor äußeren Einflüssen schützt wie etwa vor Stoß, Flüssigkeiten oder Staub. Bild 1 zeigt den vereinfachten Standardaufbau einer PCAP-Front.

Bei der Auswahl des Cover-Materials sollte immer Glas an erster Stelle stehen. Der größte Vorteil von Glas ist die verhältnismäßig hohe relative Dielektrizitätskonstante. Diese physikalische Konstante charakterisiert die Fähigkeit eines Stoffes, Energie in Form eines Feldes in sich zu speichern. Je größer der Wert dieser Konstante, umso besser kann sich das elektrische Feld eines PCAP-Sensors in diesem Material ausbreiten. Das System wird dadurch empfindlicher und das Touch-Verhalten generell besser. In der Tabelle sind neben Standard-Float-Glas weitere gängige Dielektrizitäts­kon­stanten verschiedener Materialien aufgeführt.

Materialrelative Dielektrizitätskonstanten εr
Luft1,006
PMMA2,8 – 3,7
Polycarbonate~ 3,0
Float-Glas~ 6
Corning-Gorilla-Glas7,18 – 7,52 [1]
Schott-Xensation-Glas7,3 – 7,7 [2]
Die relativen Dielektrizitätskonstanten verschiedener Materialien

Nicht zuletzt durch die Smartphone- und Tablet-Industrie erlangten sogenannte„Super-Gläser“, wie beispielsweise Cornings „Gorilla-Glas“ , eine gewisse Popularität. Diese Gläser, allgemein als Aluminium-Silikat- oder „High-Ion- Exchange“-Gläser bekannt, enthalten einen höheren Anteil Aluminiumoxid (Al2O3). Aus diesem Grund haben sie eine etwas höhere Dielektrizitätskonstante als normales Float-Glas, sind robuster und durch den chemischen Vorspannungsprozess auch flexibler. Damit sind diese Gläser besonders gut für PCAP-Anwendungen geeignet, da sich das elektrische Feld in diesen Materialien optimal ausbreiten kann.

In einer typischen Industrieanwendung kommen allerdings eher bedruckte Standard-Float-Gläser zum Einsatz, deren Widerstandsfähigkeit mit chemischer oder thermischer Härtung verstärkt wird. Das liegt zum einen am Preis-Leistungs-Verhältnis, aber auch daran, dass deren Verfügbarkeit in Europa am besten ist. Aufgrund von Splittergefahr verzichtet die Lebensmittelindustrie gern auf Glas. Für solche Anwendungen greift man oft auf Alternativen, wie Polycarbonat oder PMMA (Plexiglas oder Acrylglas) als Cover-Material zurück. Die Materialien sind sehr robust, transparent und splittern bei Beschädigung nicht. Wie aus der Tabelle jedoch ersichtlich ist, besitzen Polycarbonat und PMMA allerdings eine, im Vergleich zu Glas, geringe Dielektrizitätskonstante, was dazu führt, dass die Berührungsempfindlichkeit des Touchscreens sinkt.

Weiterhin ist der Umgang mit diesen Kunststoffen im Verarbeitungsprozess schwierig und eine Bedruckung, gegebenenfalls mehrfarbig mit einem Kundenlogo, oft nicht dauerhaft beständig. Data Modul empfiehlt für das easyTOUCH-System grundsätzlich Glas als Cover-Material. Sollte dennoch ein Kunststoff dafür gefordert sein, sollte das Material nicht dicker als 2 mm sein, um ein problemloses Touch-Verhalten zu gewährleisten. Die Tabelle zeigt weiterhin sehr deutlich, warum ein Luftspalt zwischen Touch-Sensor und Cover- Material das Touch-Verhalten extrem verschlechtert. Bei einer niedrigen Dielektrizitätskonstante von 1,006 ist die Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes in der Luft entsprechend schlecht. Daher empfiehlt es sich dringend, den Touch-Sensor direkt und vollflächig an das Cover-Material zu bonden bzw. durch eine Klebeschicht vollflächig zu laminieren.

Grundsätzlich kommen zur Verbindung des Touch-Sensors mit dem Cover-Material drei gängige Verfahren zum Einsatz. Zum einen lassen sich beide Komponenten durch eine „Film-Roll“-Lamination verbinden. Die Klebeschicht ist eine doppelseitig klebende Kunststofffschicht, die vollflächig in einem Roll-Laminations-Prozess aufgebracht wird.

Der zweite Prozess ist vergleichbar mit der Herstellung eines Verbund-Glases und wird als PVB-Heißlamination bezeichnet. Die dritte Alternative ist ein „Liquid-Optical-Bonding “ -Verfahren in Kombination mit einer auf UV-Licht basierenden Aushärtung der Verklebung. Data Modul verfügt beispielsweise seit Anfang 2013 über eine hausinterne, vollautomatische Optical-Bonding-Maschine, die unter Reinraumbedingungen arbeitet. Mit dieser Maschine lassen sich nahezu alle gängigen Cover-Materialien oder Displays mit Touch-Panels über das Liquid-Optical-Bonding verbinden.