PCAP und Glas - ein perfektes Paar für jede Bedienoberfläche

Fachbeitrag Markt & Technik 33/2017

Herausforderungen beim Einsatz von PCAP in TFT-Displays

Durch die Einführung des iPhones von Apple wurden auch Kunden aus der Medizintechnik und der Industrie auf die Eigenschaften der neuartigen Touchscreen-Technologie „Projected Capacitive Touch Screen“ (PCAP) aufmerksam. Von der ersten Reaktion – „Das brauche ich in meinem Produkt auch!“ - bis zum einsatzfertigen Gerät sind aber einige Herausforderungen zu meistern.

Die ersten brauchbaren Bildschirme mit Touchscreen kamen Ende der 1980er Jahre auf den Markt. Damals waren die Bildschirme noch Röhrenmonitore mit gekrümmten Oberflächen. Bald wurden auch Flachdisplays mit Touchscreen versehen. Weit verbreitet ist die resistive Technologie mit 4- oder 5-Draht-Anschluss. Für die aufkommenden graphischen Benutzeroberflächen war es ein Fortschritt, direkt an Ort und Stelle, also auf dem Bildschirm eingreifen zu können und Werte einzustellen, Betriebsarten zu ändern oder Daten einzugeben. Die Bedienung mit einem einzelnen Finger war völlig ausreichend, weil der Touchscreen die Funktionen der Maus - Navigieren und Klicken - übernahm. Von den Betriebssystemen wurde auch nur die Erkennung eines Punktes zu einer Zeit unterstützt. Bei resistiven Touchscreens waren die Funktion - im Prinzip die Ausmessung zweier Widerstandswerte - und die Optik - leicht milchig, reflektierend - durch den technischen Aufbau mit Glas und Folie vorgegeben.

Neue Freiheitsgrade

Die PCAP-Technologie bringt an dieser Stelle neue Freiheitsgrade: Die Bedienung ist nicht mehr auf nur einen einzigen Punkt beschränkt, man kann mit mehr als einem Finger arbeiten und auch das Erkennen von Gesten - Shrink, Zoom, Slide - wird möglich. Diese neuen Funktionen verlangen die Unterstützung durch das Betriebssystem; zudem muss die Applikationssoftware angepasst werden. Designer und Konstrukteure sind somit gefordert, denn das herkömmliche „Fenster“-Design eines Monitors funktioniert mit PCAP nur noch eingeschränkt. Nicht zuletzt durch die allgegenwärtigen Smartphones beeinflusst, erwarten Anwender außerdem ein schickes Design mit viel Glas und möglichst ohne Ränder.

Neukonstruktion erforderlich?

Die neu gewonnenen Freiheiten so einzusetzen, dass sie sich in ein technisch und kommerziell erfolgreiches Produkt umsetzen lassen, zählt zu den Herausforderungen. Die PCAP-Technologie ist die erste, bei der die technische Funktion des Sensors vom Design (im Sinne guten Aussehens) getrennt ist. Möglich ist dies, weil Sensor und Deckglas voneinander getrennt sind und erst bei der Integration in das Gesamtgerät zusammengefügt werden. Die Diagonale des PCAP-Sensors wird im Normalfall auf die des Displays abgestimmt, während sich die Abmessungen des Deckglases an den Gehäuseabmessungen orientieren können. So kann etwa die gesamte Gerätefront einschließlich anderer Bedienelemente in Glas ausgeführt und das Display mit Sensor zentral angeordnet sein.

Deckglas im Blickpunkt

Deckglas mit Bedruckung
Deckglas mit Bedruckung

Durch diese Möglichkeiten rückt das Deckglas in den Blickpunkt. Über die reine Schutzfunktion hinaus wird es zum Gestaltungs-Merkmal. Damit es sich harmonisch einfügt, kann es vielseitig gestaltet werden. Im Folgenden werden nur ein paar Varianten aufgezählt.

Weil das Deckglas größer als die aktive Sensorfläche ist. wird der überstehende Rand bedruckt. Im Siebdruckverfahren können nicht nur verschiedene Hintergrundfarben, sondern auch Firmenlogo und Beschriftungen mehrfarbig aufgebracht werden. Vor Einflüssen wie Kratzern und Flüssigkeiten ist die Bedruckung geschützt, weil sie sich auf der Rückseite des Glases befindet.

Die Schutzfunktion des Glases geht darüber noch hinaus: Auch bei aggressiven Medien wie Reinigungs-, Sterilisierungs- oder Kühlflüssigkeiten ist Glas ideal und kann auch die Abdichtung der Front nach hinten übernehmen. Die höhere Härte im Vergleich mit der Kunststoff Oberfläche des resistiven Touchscreens bietet Widerstand gegen abrasive Medien, scharfe Gegenstände und Vandalismus-Angriffe, was besonders beim Einsatz an öffentlichen Orten vorteilhaft ist.

Zusätzlich zu den mechanisch positiven Eigenschaften ermöglicht Glas noch eine deutlich bessere Optik. Bei resistiven Touchscreens war man an die optisch nicht optimale Schichtung mehrerer Medien mit unterschiedlichen Brechungsindices gebunden: leitfähig beschichtetes Glas als Substrat, Luft als Isolator und eine leitfähig beschichtete Kunststofffolie. Selbst bei Optimierung blieb immer noch Reflexion des einfallenden Lichtes übrig, die im Auflicht das Ablesen der auf dem Display dargestellten Informationen erschwerte. Weil bei PCAP die oberste Schicht aus Glas besteht, kann man eine optimale Anpassung an die Lichtverhältnisse vornehmen: Eine Antiglare-Oberfläche zerstreut einfallendes Licht diffus, eine antireflektive Beschichtung eliminiert Reflexionen durch Interferenz.

Ein weiterer Aspekt ist die Haptik: Der Finger des Bedieners gleitet gerne auf einer angerauten Oberfläche. Man mache sich den Unterschied zwischen der Oberfläche einer Fensterscheibe und eines Mauspads bewusst.

Feine Leitungen eines Foliensensors auf Basis von ANW (Silber-Nano-Wire)
Feine Leitungen eines Foliensensors auf Basis von ANW (Silber-Nano-Wire)

PCAP-Sensor

Der Sensor stellt Flächen zur Verfügung, die als Elektroden von Kapazitäten fungieren. Es obliegt dem Touch-Controller, der entweder auf einer separaten Controller-Leiterplatte oder als Chip-on-Flex aufgebaut ist, Änderungen in den Kapazitäten auszuwerten. Die Hersteller der Controller setzen dabei unterschiedliche Messverfahren ein, um die sehr kleinen Kapazitätsänderungen zuverlässig zu erfassen und in Koordinaten der Touchpunkte umzurechnen. Dabei werden Störsignale durch spezielle Algorithmen erkannt und ausgeblendet.

Der Touch-Controller, der entweder auf einer separaten Controller-Leiterplatte oder als Chip-on-Flex aufgebaut ist, wertet Änderungen in den Kapazitäten aus.

Für medizinische und industrielle Anwendungen haben sich Sensoren bewährt, bei denen sich die beiden Elektroden eines Kondensators auf gegenüberliegenden Trägerschichten, also Folie oder Glas, befinden. Für die Elektroden selbst gibt es verschiedene Materialien, die sich in ihren Eigenschaften und Einsatzgebieten unterscheiden. Gebräuchlich sind Schichten aus ITO (Indium-Zinn-Oxid), ANW (Silber-Nano-Wire) oder Metal Mesh (ein Gitternetz aus feinen, lithografisch hergestellten Drähten).

 

(Abb. li.: Der Touch-Controller, der entweder auf einer separaten Controller-Leiterplatte oder als Chip-on-Flex aufgebaut ist, wertet Änderungen in den Kapazitäten aus.)

Integration und Finetuning

Typischer Aufbau eines Display-Sensor-Deckglases
Typischer Aufbau eines Display-Sensor-Deckglases

Weil die auszuwertenden Kapazitätsänderungen nur sehr klein sind, reagiert das System empfindlich auf äußere Einflüsse, die von elektrischen Feldern ausgehen. Bereits bei der Integration, also dem Einbau von Display, Sensor und Frontglas in das Gerätegehäuse, müssen bestimmte Regeln berücksichtigt werden, um die Auswertung über die gesamte Oberfläche gleichmäßig zu ermöglichen. So sind Störquellen aus der Systemelektronik wie etwa Schaltregler von den empfindlichen Verbindungen zwischen Controller und Sensor möglichst auf Abstand zu halten; zudem darf der Display-Ausschnitt im (Metall-)Gehäuse nicht zu klein gewählt werden.

Sind diese und ein paar weitere Bedingungen erfüllt, wird die Controller-Firmware auf die Verhältnisse abgeglichen. Im Labor werden die Eigenschaften eingestellt, beispielsweise die Zahl der gleichzeitigen Berührungen (von einem Finger bis hin zu über zehn), die Dicke des Frontglases und ob eine Bedienung mit Handschuhen gewünscht wird. Bei speziellen Einsatzgebieten kann die Unterdrückung von Touch-Ereignissen, die durch stehendes oder fließendes Wasser ausgelöst werden, oder eine Erkennung und Unterdrückung des aufgelegten Handballens gefordert sein. Dies richtig einzustellen erfordert ein tiefes Verständnis der Funktionsweise des Controllers ebenso; die Erfahrung aus bereits realisierten Projekten ist ebenfalls hilfreich. Das fertige, abgestimmte PCAP-System arbeitet ohne weiteren Abgleich und langfristig stabil in der Serienproduktion.

Ausblick

Die Technologie kann als etabliert betrachtet werden. Es bleibt die Frage, in welche Richtung sich HMI und Applikationssoftware weiter entwickeln. Verstärkt wird der Wunsch nach einer taktilen Rückmeldung geäußert, denn im Unterschied zum resistiven Touchscreen wird ein Touchereignis aufgrund des aus der Oberfläche heraustretenden Felds selbst dann ausgelöst, wenn der Finger noch gar keinen Kontakt hat. Mögliche Ansätze hierzu sind verschiedene Varianten der Bestätigung durch Vibration der Oberfläche, indem Deckglas, Sensor oder der Verbund mitsamt Display zu Schwingungen angeregt wird, wie man es vom Vibrationsalarm bei Mobiltelefonen gewohnt ist. Der Aufwand ist allerdings ungleich größer, wenn das Gerät industrielle Anforderungen an Staub- oder Wasserdichtigkeit erfüllen muss. Eine brauchbare Alternative ist die Führung des bedienenden Fingers über die Gestaltung der Glasoberfläche durch lokale Aufrauungen oder Führungsnuten in linearer oder zirkularer Form. Den Ideen des Designers sind hier kaum Grenzen gesetzt.

Die höhere Härte des Deckglases bei PCAP-Touch im Vergleich mit der Kunststoff-Oberfläche des resistiven Touchscreens bietet Widerstand gegen abrasive Medien, scharfe Gegenstände und Vandalismus-Angriffe.

Auch für die dritte Dimension gibt es Lösungen. Dies beginnt bei der Messung der Betätigungskraft, was eine schwimmende Aufhängung des Displays oder zumindest des Touchsensors mit Deckglas erfordert. Dies kann im einfachsten Fall mit der Simulation der Kraft durch Messung der Auflagefläche des Fingers erfolgen. Die individuell und regional unterschiedliche Ausformung der Finger stellt den Software-Entwickler hier aber vor eine besondere Herausforderung.

 

(Abb. re.: Die höhere Härte des Deckglases bei PCAP-Touch im Vergleich mit der Kunststoff-Oberfläche des resistiven Touchscreens bietet Widerstand gegen abrasive Medien, scharfe Gegenstände und Vandalismus-Angriffe.)

Schließlich kann auch die Lage im Raum als Steuergröße genutzt werden, bei der der räumliche Einfluss des Bedienerfingers auf das kapazitive Feld ausgewertet wird. Am besten geeignet ist dies an einem individuellen Arbeitsplatz, der vor Störungen durch „Passanten“ geschützt ist. Mit einer Kamera bzw. einer Anordnung mehrerer Kameras kann die Steuerung weiter verfeinert werden - dann wird allerdings kein Touchscreen mehr eingesetzt, weshalb dieser Ansatz im Beitrag hier nicht weiter vertieft wird.

Projiziert-kapazitive Touchsysteme stellen anfangs höhere Anforderungen an das Design und die Integration. Im fertigen Gerät zeigen sich die Vorteile gegenüber anderen Touch-Lösungen durch angenehme Bedienbarkeit, eine tadellose Optik, Resistenz gegenüber vielen Umwelteinflüssen und Kompatibilität zu zeitgemäßen Bedieneroberflächen. Die individuelle Gestaltung der Glasoberfläche ermöglicht Freiheit im Design und eine Anpassung an mechanische und optische Anforderungen. Durch das Finetuning sind die Systeme langzeitig stabil und arbeiten zuverlässig. Viele Merkmale wie etwa die Anzahl der gleichzeitig erkennbaren Touch-Ereignisse oder das Unterdrücken unerwünschter Auslösungen sind durch die individuelle Parametrierung der·Firmware des Touchcontrollers realisierbar.

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