Die Auswahl an projiziert-kapazitiven Sensoren (PCAP) scheint auch in industriellen Systemen wie HMI-Terminals, Medizin- und Outdoor-Anwendungen nahezu grenzenlos. Nach dem historischen Erfolg der Mobil- und Smartphones im Consumerbereich hat die kapazitive Sensorik auch in der industriellen Produktentwicklung Anklang gefunden und sich dort etabliert. Dabei durchlebte die PCAP-Technologie ebenso wie alle professionell eingesetzten Controller- und Verklebungs-/Bonding-Technologien verschiedene Entwicklungszyklen. 

Der generelle Sensor-Aufbau ist bis heute nahezu gleich geblieben. Das Grundgerüst bilden zwei Ebenen (X und Y), meist mit einem leitfähigen Rautenmuster (Diamond Pattern) versehen, das sich über den gesamten Sensor erstreckt. Die beiden Ebenen sind voneinander isoliert und häufig von einer Klebeschicht (OCA = Optical Clear Adhesive) überzogen. Befindet sich ein Finger oder ein leitendes Medium am Kreuzungspunkt der beiden Ebenen, so wird die Kapazität verändert und ein Touch – sprich eine Berührung – erkannt. Dieses Funktions-Grundprinzip ermöglicht das Bedienen eines HMI-Systems beispielsweise auch durch eine Glasscheibe hindurch, da sich die Feldlinien ausbreiten können. 

Ein zentraler Bestandteil dieser Technologie ist das transparente, leitende Material ITO (Indium Thin Oxid = Indium Zinn Oxid), welches das beschriebene Rautenmuster bildet. Trotz wechselnder Technologien und Fertigungsverfahren konnte bisher keine Alternative gefunden werden, die sowohl technisch als auch optisch (Transparenz) vergleichbar mit ITO wäre. Im Wesentlichen wird das leitende Material auf zwei unterschiedlichen Sensorsubstraten aufgebracht: Glas oder PET-Film.

Kein zusätzliches Coverglas nötig

Beim Glas/Glas-Sensor befindet sich das ITO zwischen zwei Gläsern, die durch eine OCA-Klebeschicht zusammengehalten werden.

© Data Modul

Eine der ältesten PCAP-Technologien ist der Glas/Glas-Sensor. Das ITO befindet sich dabei zwischen zwei Gläsern, die durch eine OCA-Klebeschicht zusammengehalten werden. ITO-Glas besitzt einen geringen Flächenwiderstand (50 Ω/Square) und ermöglicht durch die schnelle Aufladung problemlos die Integration von Sensoren in den Größen 7 bis 32 Zoll. Der Gesamtaufbau beträgt circa 2,4 mm (2 × 1,1 mm ITO-Gläser + 0,2 mm OCA). Durch diesen robusten Aufbau und den Umstand, dass das ITO zwischen den Gläsern liegt, lässt sich dieser Sensor ohne zusätzliches Coverglas einsetzen. Ähnlich einem resistiven Touch kann der Sensor auf ein TFT – beispielsweise mit doppelseitigem Klebeband – geklebt und von hinten in ein Gehäuse eingebaut werden. Glassensoren vertragen in der Regel einen Temperaturen von –20 °C bis +70 °C, was für alle gängigen Industrieanwendungen ausreichend ist. 

Ein wesentlicher, dem Fertigungsverfahren geschuldeter Nachteil ist die Leiterbahnführung bei dieser Art von Sensoren sowie die daraus resultierende Außenabmessung. Alle Elektroden werden über eine Leiterbahn kontaktiert, die am Rand des Sensors zum Flextail führt. Mit einem Line/Space-Gap von 100/100 µm, also dem Maß/Abstand zwischen zwei Leiterbahnen und der Leiterbahn an sich, ist der Aufbau ziemlich breit. Das zeigt sich besonders bei Diagonalen die größer als 12,1 Zoll sind, da die Auflösung solcher Sensoren deutlich größer ist. Der Glas/Glas-Sensor kann sich aufgrund der Außenabmessungen und dem robusten Gesamtaufbau in modernen Applikationen kaum mehr durchsetzen. 

Die Design-Sieger

Verglichen mit Glas/Glas sind ITO-Foliensensoren (Film/Film) bedeutend dünner. Mit einem Sensoraufbau von etwa 0,5 mm bis maximal 0,7 mm ist der Einsatz in portablen beziehungsweise mobilen Geräten besonders beliebt. Das leitende ITO-Material ist hier auf einem PET-Film aufgebracht. Die Trennschicht bildet auch hier wieder eine OCA-Klebeschicht.

Bei einem Film/Film-Sensor ist das leitende ITO-Material hier auf einem PET-Film aufgebracht. Die Trennschicht bildet auch hier wieder eine OCA-Klebeschicht.

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Der flexible Film ist jedoch nicht einsetz- beziehungsweise belastbar, sodass mindestens noch ein dünner Träger aufgebracht werden muss (Glas/Film/Film). Hier hat das Glas dann eine reine Schutzfunktion: So wird verhindert, dass der Sensor sich verbiegt und die empfindlichen Leiterbahnen zerstört werden. Durch die auf den Film-ITO-Sensoren bereits vorhandene OCA-Schicht werden diese Sensoren über ein Laminationsverfahren auf ein zusätzliches Schutzglas (auch Trägerglas oder Schutzglas) aufgebracht. Das Trägerglas beziehungsweise Coverglas als Schutzglas ist in unterschiedlichen Dicken, Bedruckungen und/oder Formen verfügbar. Das bietet eine hohe Flexibilität im Coverglas-Design, was für PCAP-Sensoren essenziell ist. ITO-Folien lassen sich sehr gut verarbeiten, was dann selbst unkonventionellste Formen zulässt. 

Trotz PET-Folie ist der Einsatztemperaturbereich – mit speziellen Folien – zwischen –20 und +60 °C beziehungsweise +70 °C gewährleistet. Durch eine Kombination aus Laser- und Ätzverfahren lässt sich ein Line/Space-Gap von 50/50 µm erreichen. Die Außenabmessungen der Sensoren sind nicht größer als die des TFT-Displays, sodass bei einem Re-Design die Sensorik nahezu in jedes bestehende Design passt. 
Folien-ITO-Sensoren mit einem Flächenwiderstand von 100 bis 150 Ω/Square beschränken sich auf eine Diagonale von meist 23,8 Zoll, vereinzelt auch noch 27 Zoll. 

ITO-Foliensensor sind wie Glas/Glas-Sensoren am längsten auf dem Industriemarkt vorhanden und in zahlreichen Consumer-Applikationen wiederzufinden. Aufgrund der hohen Abnahmemengen im Consumerbereich und das Sichern der Bestände durch Smartphone- und Tablet-Hersteller schwankt allerdings die Verfügbarkeit solcher Sensoren. 

Auch Folienabkündigungen sind keine Seltenheit, da das Rohmaterial im Zyklus der Consumer-Elektronik häufig wechselt. Besonders für professionelle HMI-Applikationen mit einem Entwicklungszeitraum von bis zu einem Jahr und aufwendigen Qualifikationen, wie etwa bei Medizingeräten, sind häufige Wechsel von ITO-Foliensensoren recht unerfreulich. Trotz ausgewählter Industrietouch-Lieferanten kann es alle drei bis fünf Jahre zu einem solchen Wechsel kommen. Ein Touch-Hersteller wie Data Modul kennt diese Herausforderungen und versucht, Folien-Änderungen früh zu erkennen, um betroffene HMI-Kunden rechtzeitig informieren zu können und Ersatzfilme in Form/Fit/Funktion zu unterbreiten. Dabei spielt neben der Touch-Funktion und der daraus resultierenden Parameter die Optik eine wichtige Rolle. 

Unabhängigkeit von Marktumständen

Um von solchen Marktumständen unabhängig zu sein, stellte Data Modul 2014 eine Weiterentwicklung von ITO-Sensoren vor: den SITO (Single-Side ITO). Anders als bei Film/Film-Sensoren werden beide ITO-Elektroden (X- und Y-Richtung) auf nur einer Seite eines konstant verfügbaren Glassubstrates aufgebracht. Die Besonderheit hier ist, dass an den Kreuzungspunkten mit Metallbrücken (Metal Jumper) gearbeitet wird, um Kurzschlüsse aufgrund des einschichtigen Touch-Aufbaus zu verhindern. 

Anders als bei Film/Film-Sensoren werden beim SITO-Sensor beide ITO-Elektroden sowohl in X- als auch Y-Richtung auf nur einer Seite eines konstant verfügbaren Glassubstrates aufgebracht. Metal Jumper verhindern dabei Kurzschlüsse.

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Durch den Glasaufbau sind diese Sensoren besonders für raue Bedingungen und im Außeneinsatz gut geeignet. Sie trotzen Temperaturen von –30 bis +85 °C und sind nahezu unempfindlich gegenüber starker Sonneneinstrahlung. Mittels eines Foto-lithografie-Verfahrens können besonders schmale Leiterbahnen geschaffen (20/20 µm) werden  und neue Designmaßstäbe gesetzt werden. 

Dabei bleiben alle Vorteile eines PCAP-Sensors wie der Multitouch-Bedienung mit bis zu zehn Fingern, Wasser- und Handschuhbedienung oder EMV-Robustheit dank neuester Controller-Technologien erhalten. 

SITO-Sensoren müssen über ein Flüssigklebeverfahren (LOCA) auf ein Coverglas gebondet werden, um die oben aufliegenden ITO-Strukturen zu schützen. Zudem wird ein robustes Verbundglas geschaffen, das vor Krafteinwirkungen, zum Beispiel dem Schlag mit einem Werkzeug, problemlos schützt. Übliche Diagonalen sind 7 bis maximal 21,5 Zoll (maximal 27 Zoll). Das Größenlimit resultiert aus der Mutterglasgröße und dem Verarbeitungsprozess des Herstellers. 

Die SITO-Technologie hat durch die zahlreichen Vorteile wie Verfügbarkeit, Robustheit, Materialbeschaffenheit und das schmale Design besonders in der modernen Maschinensteuerung großes Interesse geweckt.

Diagonalen bis zu 80 Zoll

Doch ITO hat trotz seiner Vielseitigkeit einige Einschränkungen. Neben der Verfügbarkeit ist es sehr starr, es lässt sich nicht auf gebogene Oberflächen/Gläser aufbringen. Außerdem ist der Flächenwiderstand besonders für größere Diagonalen ein zentrales Manko. 

Mit den Metal-Mesh-Sensoren scheint nun eine Alternative hinsichtlich dieser Einschränkungen gefunden worden zu sein. Dabei handelt es sich um ein Metallgitter, meist auf Silber- oder Kupferbasis, das die Grundlage auf den PET-Folien bildet. Der wesentliche Aufbau ähnelt einem ITO-Film/Film-Sensor mit zwei leitenden PET-Folien, zusammengehalten durch ein OCA. Auch hier wird ein Coverglas mittels Lamination mit dem Foliensensor verbunden. Die leitenden Strukturen sind diesmal keine ITO-Rauten, sondern vorwiegend Silbermetallgitter, aufgebracht durch ein spezielles Imprint-Lithografie-Verfahren. Auf den PET-Folien werden die Strukturen gestempelt und mittels leitendem Silbermaterial aufgefüllt. Dies ermöglicht Flächen-widerstände von 10 bis 20 Ω/Square, was eine Integration in Diagonalen bis zu 80 Zoll problemlos möglich macht. Voraussetzung dafür ist die korrekte Controller-Auswahl. Der Fokus von hochauflösenden Sensoren bei Maschinensteuerungen liegt bisher größtenteils auf Diagonalen von bis zu 32 Zoll. Hier sind Controller des Herstellers Ilitek heutzutage eine passende Ergänzung zu Atmel oder Microchip.

Mit einer Metal-Mesh-Elementbreite von 4 bis 9 µm sind Metal-Mesh-Sensoren – trotz hoher Auflösung – kaum größer als das passende TFT. Und ein echtes Asset ist die Biegsamkeit der Silberleiterbahnen, ohne die es keine Curved-Touchdisplays gäbe. Metal-Mesh-Sensoren wurden immer mit dem Moire-Effekt in Verbindung gebracht, was die Einführung in die Industrie bisher verzögerte. Dieser Effekt entsteht, wenn mehrere Raster übereinander gelegt werden, ähnlich wie beim Metallgitter des Metal-Mesh-Sensors. Mit einem speziellen Fertigungsverfahren konnte diesem Effekt aber entgegengewirkt werden und so sind Metal-Mesh-Sensoren in modernen HMI-Applikationen längst im Einsatz. 

Die PCAP-Sensorik bietet eine Vielfalt an unterschiedlichen modernen Technologien an. Dabei spielen Design, Funktionalität und Verfügbarkeit eine große Rolle. Der Wunsch bei der Entwicklung einer HMI-Produktfamilie ist meist, ein Sensorsubstrat und eine Controller-Generation für sämtliche Diagonalen zu haben. Dabei ist es wichtig, alle beschriebenen Vor- und Nachteile unterschiedlicher Touch-Technologien gegenüberzustellen.

Autor: 
Markus Hell ist Head of Product Marketing für Touch Solutions bei Data Modul.