Touch-Sensorik Eigene Kapazität

Bild 1: PCT-basierter Touchscreen für Microsofts Spatial Desk
Bild 1: PCT-basierter Touchscreen für Microsofts Spatial Desk

Wenn Entwickler Touchscreens nun außer in Consumer-Anwendungen auch zunehmend in der Industrie, im öffentlichen Bereich und in der Medizintechnik einsetzen wollen, stößt die Touch-Technik auf Basis gegenseitiger Kapazität schnell an ihre Grenzen. Mit der Eigenkapazitäts-Sensorik stehen berührungssensitive Oberflächen auch in Märkten zur Verfügung, die durch andere Techniken nicht erschlossen werden können.

Die aktuellen tragbaren Kommunikations- und Unterhaltungselektronikgeräte wie Smartphones und Tablet-PCs besitzen Touch-fähige Benutzerschnittstellen als praktisch obligatorisches Leistungsmerkmal. Die überwiegende Mehrheit dieser Produkte basiert auf Projected-Capacitive-Sensorik (p-cap). Dieser Bereich des Touchscreen-Marktes wächst demnach auch überproportional stark.

Da die Hersteller aber auch andere Märkte »berühren« wollen, müssen sie eine Reihe wichtiger Designkriterien erfüllen. Die weit verbreitete Akzeptanz der p-cap-Technologie beruht auf deren Eigenschaften wie der beständigen durchgehenden Glas-oberfläche, was praktisch zu einer unbegrenzten Lebensdauer führt; auf der Möglichkeit, das Display von Rand zu Rand ohne Blende und Einfassung reichen zu lassen; auf der relativen Unanfälligkeit gegenüber Fehleingaben und auf der hohen Empfindlichkeit.

Eine Untersuchung der Analysten von DisplaySearch fand heraus, dass, obwohl p-cap noch relativ neu am Markt ist, diese Technik sehr schnell zu der am zweithäufigsten verwendeten Berührungssensorik weltweit aufgestiegen ist. Der Abstand zur lange etablierten und massenhaft installierten resistiven Touchscreen-Sensorik wird demnach immer geringer.

p-cap-Sensorik

Es gibt zwei verschiedene Arten der p-cap-Berührungssensorik, die von OEMs implementiert werden:

  • Gegenseitige Kapazität: die heute am häufigsten eingesetzte p-cap-Technik. Ein Berührungssensor mit gegenseitiger Kapazität verfügt über zwei getrennte leitfähige Schichten. Eine der beiden Schichten enthält alle Sensorzellen, welche die Position der Berührung identifizieren, während die andere Schicht die Treiberzellen enthält, durch die das Treibersignal verläuft. Die Zellen sind miteinander verkettet, und jede Zelle ist mit der Steuerungselektronik verbunden. Tritt eine Berührung auf der Oberfläche des Bildschirms auf, ändert sich der Ladezustand innerhalb des dort vorherrschenden elektrischen Feldes. Dies verringert die gegenseitige Kapazität zwischen den beiden Schichten. Diese Änderung nehmen die Zellen in der Sensorschicht wahr, woraufhin Erkennungsalgorithmen im Controller die Zellen mit der größten Ladungsänderung bestimmen. Der Controller gibt dann eine entsprechende x-y-Koordinate an den Host-PC aus.
  • Eigenkapazität: erfordert im Vergleich zur gegenseitigen Kapazität ein x-y-Raster offener leitender Sensordrähte, die mit einem Controller verbunden sind, der die Erkennungsalgorithmen enthält. Die Ladung auf den Drähten ändert sich durch die Kapazität des menschlichen Körpers, sobald sich ein Finger der Touchscreen-Oberfläche nähert. Die x- und y-Leitungen mit der Ladungsänderung werden erkannt und die Berührungskoordinaten an den PC ausgegeben.

Gegenseitige Kapazität hat sich als die am häufigsten verwendete p-cap-Technik etabliert, vor allem wenn kleine Bildschirme und Multi-Touch-Funktion erwünscht sind. Bei ausreichender Zellendichte und Controller-Leistung ist es möglich, die große Menge an Touch-Daten zu sammeln und zu interpretieren, die erforderlich ist, um mehrere unabhängige Berührungen voneinander zu unterscheiden.

Diese Technik hat sich bei kleinen Displays als gut geeignet etabliert. Bei größeren Formfaktoren treten jedoch erhebliche Nachteile auf. Dafür gibt es verschiedene Gründe. Erstens: Um mehrere Berührungspunkte genau zu verfolgen, muss der Controller Daten von jeder einzelnen Zelle sammeln. Die riesige Menge an Informationen, die bei größeren Bildschirmen gesammelt werden muss, wird bei großen Formaten unüberschaubar. In der Praxis heißt das, wenn der Bildschirm größer als 15 Zoll (circa 38 cm) ist, wird die Anzahl an Zellenschnittpunkten, die mit dem Controller verbunden und über ihn überwacht werden, zu einer erheblichen Herausforderung.

Dies führt zu einer immer komplexeren Steuerungselektronik und Anbindung, was die Stückliste erhöht und die Integration erschwert. Zweitens: Lösungen mit gegenseitiger Kapazität basieren auf einer Zellen-matrix aus Indium-Zinnoxid (ITO), das auf Glas oder einem Film verteilt ist - ähnlich wie beim Halbleiter-Fotolithografie-Prozess. ITO ist ein leitfähiges, nahezu durchsichtiges Material, das bereits in zahlreichen Massenprodukten mit kleinen Touch-Displays (beispielsweise für tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik) zum Einsatz kommt, da sich der massentaugliche Verarbeitungsprozess als Vorteil erweist.

Bei größeren Anwendungen, die in kleineren Stückzahlen gefertigt werden, können sich die relative Unflexibilität des Prozesses und die hohen Kosten der Fotomasken, die bei jedem neuen Design erforderlich sind, als problematisch erweisen. Hinzu kommt der relativ hohe elektrische Widerstand des ITO-Materials. Je größer die Display-Fläche und damit auch der Abstand zwischen den Zellen und dem Controller, desto geringer wird der Signal-Rauschabstand (SNR), was zu einer schlechteren Berührungsempfindlichkeit und letztendlich zu einem nicht funktionierenden Gerät führt.

Ansatz auf Basis der Eigenkapazität

Die proprietäre »Projected Capacitive Technology« (PCT) von Zytronic (Vertrieb: Gleichmann) fand in den letzten zehn Jahren in zahlreichen Anwendungen Verwendung. Sie basiert auf dem Prinzip der Eigenkapazität und ermöglicht auch größere berührungsempfindliche Oberflächen. Auf der Basis einer x-y-Matrix mit mikrofeinen Kondensatoren, die in ein laminiertes Glassubstrat integriert sind, verwendet diese Technik eine Frequenzmodulation, um kleinste Kapazitätsänderungen in den Leitungen zu erkennen, etwa wenn ein Finger auf der Oberfläche vorhanden ist.

Ein wesentliches Merkmal dieser Technik ist ihre hohe Empfindlichkeit, womit Berührungen durch sehr dicke Overlays, Sicherheitsglas und sogar dicke Handschuhe hindurch erkannt werden. Die Technik bietet damit ordentliche z-Achsen-Empfindlichkeit und -Kontrolle und ist damit für industrielle und öffentliche Anwendungen geeignet, sogar für den Außeneinsatz.

Nachdem Zytronic diese spezielle Methode zur Berührungserkennung entwickelt hat, kam es darauf an, eigene Touch-Controller-Hardware und -Firmware bereitzustellen, da herkömmliche Controller-ICs für gegenseitige Kapazität ungeeignet sind. Sie beruhen auf einem völlig anderen Erkennungsalgorith

Für größere Formate und kleinere Stückzahlen steht eine Lösung auf Kupferbasis zur Verfügung. Hier besteht die kapazitive Matrix innerhalb des Sensors aus Kupfer-elektroden mit 10 µm Durchmesser. Ein Vorteil dieses Materials ist der äußerst niedrige Widerstand (etwa ein Zehntel dessen von ITO). Damit wird eine Berührung ohne merkliche Verschlechterung der Empfindlichkeit erkannt - selbst auf Bildschirmen, die größer als 80 Zoll sind.

Ein weiterer Vorteil der Kupferelektroden ist, dass sie direkt auf der Unterseite der Glas-oberfläche angebracht werden können, ohne dass bei der Herstellung Fotomasken nötig sind. Neue Designs lassen sich so schnell entwickeln, testen und fertigen.

Neue Formen

Die Duktilität der Kupferelektroden ermöglicht auch ein Anbringen auf gekrümmten Oberflächen. Microsoft nutzte diese Eigenschaft und entwickelte einen Touchscreen für sein »Envisioning Lab« im Firmensitz in Redmond, USA. Ein rundum angeordneter »ZYBRID«-Berührungssensor wurde für eine konzeptionelle Multi-Monitor-Workstation mit zehn Displays (genannt »Spatial Desk«, Bild 1) entwickelt, die über eine einzige PCT-Touch-fähige Oberfläche bedient wird.

Wie bereits erwähnt, bietet p-cap-Sensorik zahlreiche Vorteile für Entwickler Touch-fähiger Geräte - daher auch das rasante Wachstum und die hohe Akzeptanz in den letzten Jahren. Mit Eigen- und Gegenkapazitätssensorik auf p-cap-Basis und den darin verwendeten Materialien stehen den OEMs Lösungen zur Wahl - je nach Einsatz-umgebung, Touch-Performance, physikalischer Bildschirmgröße und erforderlichen Stückzahlen.

Der dazugehörige Touch-Controller ermöglicht PCT-Dual-Touch-Funktion für verschiedene Kunden. Sunvision Technology entwickelte beispielsweise ein 22-Zoll-ZYBRID-PCT für interaktive Esstische in einem Restaurant namens Mojo in Taipeh (Bild 2). Um die z-Achsen-Empfindlichkeit zu demonstrieren, wurden die Touchscreens unterhalb der Tische integriert. Dabei werden Berührungen durch die Holzoberfläche hindurch erkannt - und zwar zusammen mit einem rechnergesteuerten Projektor, der sich darüber befindet.

Der Projektor stellt interaktive Menüs auf der berührungsempfindlichen Tischoberfläche dar, über die der Restaurantgast die Menükarte durchblättern, seine Auswahl vorab ansehen und Bestellungen tätigen kann. Und während die Gäste auf das Essen warten, müssen sie sich nicht einmal mehr unterhalten, sondern können Sofortnachrichten an Gäste anderer Tische senden, Bilder anschauen und Spiele spielen.

Tatsächlich spielt PCT seine Stärken besonders bei großen Formaten aus, etwa im Digital-Signage-Bereich.

So entwickelte beispielsweise Infinitus einen robusten 65-Zoll-ZYTOUCH-Schirm für das Digital-Signage-System »iMotion« (Bild 3), das in rauen Außenumgebungen im öffentlichen Raum zum Einsatz kommt, etwa in Skigebieten, öffentlichen Plätzen und Freizeitparks.

Über die Autoren:

Ian Crosby ist Sales & Marketing Director und Dr. Andrew Morrison ist Technical Director, beide bei Zytronic.