Der projiziert kapazitive Touch-screen (PCT), bei dem sich der Sensor hinter dem Deckglas des Dis-plays befindet, ist de facto die Standard-HMI-Technologie für die Mehrheit der Smartphones und Tablet-PC-Anwendungen. Die lediglich leichte Berührung des Displays, um eine Position oder eine Geste in das Gerät einzugeben, hat die Benutzer überzeugt. In der Anfangszeit der PCT-Technologie basierten die Touchscreens auf Standard-Mikrocon-trollern und waren – meist mit einer geringen Auflösung oder fest auf dem ­Display angeordneten sensitiven Tast-bereichen versehen – aus HMI-Sicht nicht besonders raffiniert. Mit diesen ersten Implementierungen ließen sich jedoch viele wertvolle Erkenntnisse sammeln. Denn jetzt erfolgt die Umsetzung dieser Pionierarbeit im stark wachsenden Markt der mobilen Endgeräte: Alle aktuellen Touchcontroller sind für Multitouch geeignet; die meisten unterstützen bis zu zehn Berührungen. Einige Betriebssysteme, Treiber und manche Anwendungssoftware unterstützen diese große Anzahl von Berührungspunkten jedoch nicht. Um dennoch eine hohe Bedienfreundlichkeit zu erreichen, besteht die Möglichkeit, einen Teil der Touches zu verwenden und die anderen – nicht erwünschten – Touches bereits im Chip des Controllers zu unterdrücken.

Die EMV-Anforderungen

Einer der wichtigsten Faktoren, der die Leistung und Verwendung kapazitiver Touchtechnologie einschränkt, ist der Einfluss von Störungen auf das System. Diese beeinflussen sowohl die Stabilität als auch die Genauigkeit der vom Chip erzeugten Touchinformation. Will man einen robusten PCT-Screen entwickeln, der auch auf Systemebene gut funktioniert, gibt es zwei hauptsächliche Störquellen zu berücksichtigen. Diese beiden, für kapazitive Touchscreens am problematischsten EMV-Störungen, definieren die Normen EN 61000-4-3 und EN 61000-4-6.

Die Norm EN 61000-4-3 bezieht sich auf „fast transiente“ Störungen. Verursacher können hier Displays, Leuchtstofflampen und Switch-Mode-Power-Supplies (SMPS) sein. In Mobiltelefonen, deren Akkus mit Ladegeräten aus dem Zubehörmarkt geladen werden, können solche Spannungsversorgungen zu Problemen der Class C führen und unge-wollte beziehungsweise falsche Touchpositonen verursachen. In Applikationen mit wesentlich strengeren Anforderungen an das HMI-System als in Mobil-telefonen, muss man solche Störungen vollständig eliminieren.

Die EN 61000-4-6 definiert EMV-Ein- flüsse, welche als Gleichtaktstörungen „common mode noise“ an allen Leitungen des Geräts gleichzeitig einge­koppelt werden. Die eingespeisten, störenden Spannungen und Frequenzen hängen stark von der jeweiligen Applikation ab. So müssen zum Beispiel bei einem Point-of-Sale-Terminal die Betriebs-frequenz und die Oberwellen des Transmitters optimal abgestimmt sein.

Es lassen sich zudem mehrere Abstufungen der Touchperformance beziehungsweise des Touchverhaltens definieren, die in verschiedenen Applikationen wie folgt toleriert werden können:

Class A: Das HMI System soll wie spezifiziert weiterarbeiten ohne Abweichung der Touchperformance. Es sind keine Fehlfunktionen bei Berührung und auch keine Fehlauslösungen zu­lässig.

Class B: Es sind vordefinierte Abweichungen des Touchverhaltens im HMI-System erlaubt. Jedoch keine Fehlauslösungen, auch nicht bei einer Berührung. Es ist zulässig, dass das System stoppt. Nach Verschwinden der Störquelle muss das System in seinen Normalzustand zurückkehren ohne dass der Benutzer einzugreifen braucht.

Class C: Das HMI-System kann die Erkennung von Touchpunkten einstellen oder kann falsche, ungenaue beziehungsweise zufällige Positionen feststellen solange die Störquelle vorhanden ist. Es ist zulässig, dass ein Hardware- oder Software-Reset nötig ist, um das System wieder in den Ausgangszustand zu versetzen. Die auftretenden Fehler dürfen jedoch nicht dauerhaft anhalten oder gar zu einem „Aufhängen“ des Systems führen.

Class D: Das HMI-System darf aufgrund der Störung ständig seinen Status verändern, was zum Verlust der Einstellungen, „Aufhängen“ des Systems oder anderen Fehlfunktionen führt.

Welche Tests zur Erfüllung der EN-Anforderungen auszuführen sind, hängt von den Sicherheits- oder Benutzbarkeitskriterien ab, die für die jeweilige Anwendung gefordert sind. Gewöhnlich wird bei den meisten Applikationen Class B über den gesamten Betriebsbereich gefordert. Für bestimmte Frequenzen besteht jedoch zum Teil auch eine Class-A-Anforderung. Während der Durchführung der Tests ist es sehr wichtig, den Touchscreen zu berühren. Nur so ist die genaue Ermittlung der Auswirkungen der Störungen möglich.

Die heute eingesetzten, weiterentwickelten PCT-Treiber-ICs verwenden eine Reihe von internen Funktionen, um gegen potenzielle EMV-Störungen anzukommen. Von der Ansteuerung durch höhere Spannungen über intelligentes Frequenzsprungverfahren – dem „Frequency-Hopping“ – bis zum intensiven Filtern per Hard- und Software sind verschiedene Verfahren möglich. Alle diese Methoden helfen, die An-fälligkeit des Systems für Störungen in einen akzeptablen Bereich zu bringen. Oftmals wird nicht beachtet, dass der Touchsensor als eine Art Antenne fungiert und Störungen in den Treiber-IC leitet. Aus diesem Grund sind der Touchsensor und der Chip als ein Gesamtsystem zu betrachten. Da es viele Optionen für das Design und die Kon-struktion des Sensors gibt, ist dessen Auswahl und Implementierung maßgeblich für das Funktionieren einer Anwendung verantwortlich. Mit einem unpassenden Sensordesign kann bis zu 80 % des Signal-Rausch-Abstandes in einem System verloren gehen.

Die Features des „Multitouch“

Multitouch wird im Zusammenhang mit kapazitiven Touchscreens oft missverstanden, da es nur wenige Applikationen gibt, bei denen mehr als ein paar wenige Touchpunkte für die Eingabe nötig sind. Einen wesentlichen Aspekt, den Multitouch eröffnet, ist die Möglichkeit, Touchinformationen gezielt anzunehmen oder abzulehnen und dadurch eine höhere Bedienfreundlichkeit zu erreichen. Diese intelligente Art der Informationsverarbeitung kann im Treiberchip, im Betriebssystem oder auf Applikationsebene erfolgen. Hierbei werden nur noch vorausgewählte Daten an das Betriebssystem weitergegeben.

Die Sensoren sind auf einem Raster rechtwinklig angeordnet. Bei einer Berührung entsteht durch die Änderung der Kapazität ein Abbild der berührten Fläche auf dem Sensor.

© Touchnetix

Chip zu handhaben, kann jedoch problematisch sein, wenn der Chip von mehreren Lieferanten für dieselbe Plattform bezogen wird. Denn dann bestimmt der Chip mit den schlechtesten Eigenschaften die Gesamtperformance der Plattform. In einem kundenspezifischen Betriebssystem können vordefinierte Touchdaten allerdings erhebliche Vorteile haben: Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, dass der Chip nur einen einzigen Touchpunkt an das Betriebssystem übergibt und alle weiteren Touches ignoriert. So ist es etwa beim Reinigen eines Küchengerätes mit Touchscreen notwendig, Fehlauslösungen zu verhindern. Ein großes Touchobjekt, wie etwa ein feuchtes Reinigungstuch, darf nicht als Touch an das Betriebssystem übergeben werden. Multitouchscreens mit einer wirkungsvollen Unterdrückung von ungewollten Touches, aber dennoch einer federleichten Toucheingabe, ergeben das optimale HMI für eine breite Palette von Anwendungen.

Weitere Punkte, die es bei der Entwicklung eines PCT-Systems zu berücksichtigen gilt, sind das Verhalten bei Handschuheinsatz und Anwendungsfälle, bei denen Feuchtigkeit oder Wasser mit ins Spiel kommen. Handschuhe für spezielle Anwendungen sind ohne Probleme einsetzbar, solange die EMV-Störungen eliminiert werden. Das PCT-System muss entsprechend empfindlich, jedoch weiterhin stabil eingestellt sein. Obwohl kapazitive Touchsysteme nicht besonders geeignet sind, um sie ganz oder teilweise in Wasser einzutauchen, sind moderate Wassermengen auf dem PCT für die Bedienung kein Problem. Es ist jedoch notwendig, dass das Sensordesign und insbesondere der ganze konstruktive Aufbau sowie die Materialen von Anfang an sorgfältig ausgewählt und entwickelt wurden.

Manche Entwickler von HMI-System wünschen sich auch Zusatzfunktionen des Touchscreens, beispielsweise den Einsatz eines kleinen Stylus oder die Möglichkeit, einen Touch im Voraus zu erkennen, noch bevor der Finger die Oberfläche berührt: das sogenannte „hovering“. Die Erfassung von Druck über die Auflagefläche des Fingers als weiteres Merkmal der Berührung oder eine haptische Rückmeldung als Bestätigung für den erfolgreichen Touch sind weitere gewünschte Funktionen. Alle diese Elemente können in das Touchsystem integriert werden, erhöhen die Komplexität der Architektur jedoch erheblich. Derzeit gibt es nur wenige Produkte und Anwendungen mit solchen Implementierungen.

„Gute“ und „schlechte“ ­Touchscreens

Die Definition der Güte eines Touchscreens hängt von der Art der Anwendung ab. Der recht zügige Niedergang von resistiven Touchscreens hat wesentlich mit der schlechten Benutzbarkeit und der geringen Zuverlässigkeit zu tun. Auch die suboptimalen optischen Eigenschaften und die damit verbundene eingeschränkte Lesbarkeit des Displays tragen dazu bei. Kapazitive Touchscreens beseitigen diese Probleme, haben aber ebenfalls ein paar grundlegende Schwächen. Mit einem guten Sensordesign und einer geschickten Systemintegration kann man einige davon beseitigen. Andere Schwächen sind wiederum nicht so einfach zu umgehen.

Fünf miteinander verklebte Schichten sind typisch für den Aufbau eines folienbasierten Touchscreens.

© Touchnetix

In einem fertigen Produkt oder einem Testmodul ist es oft schwierig festzustellen, worin die Ursache für ein Problem liegt: Was ist auf das Betriebssystem zurückzuführen, was auf die Anwendungssoftware? Welche Probleme treten durch den kapazitiven Con­troller-Chip auf? Es gibt jedoch ein paar einfache Tests, um zu prüfen, ob ein Touchscreen für die Endapplikation geeignet ist. An zwei Beispielen soll diese Aussage veranschaulicht werden:

Lädt man ein Smartphone oder einen Tablet-PC über einen USB-Port am PC auf und surft gleichzeitig im Internet, sollte man nichts Ungewöhnliches feststellen. Verharrt man jedoch mit dem Finger für längere Zeit auf einer bestimmten Position, wird man bei einem schlecht programmierten System eine Instabilität der Touchposition auf dem Bild erkennen. Jitter entsteht, da die Touchposition von Störungen beeinflusst wird. Das Ganze wird noch schlechter, sobald man einen größeren Touch verwendet – Daumen statt Zeigefinger – oder mehrere Touches gleichzeitig ausführt. Die Störung tritt nur bei Berührung auf, weil sie sich gegen Erde „Masse“ bezieht und der Touch selbst bei der Berührung zur Störquelle wird.

Ein zweiter recht interessanter Test besteht darin, eine Leuchtstofflampe, welche durch das normale Stromnetz versorgt wird, in die Nähe eines Touchscreens zu bringen. Dies führt oft zu instabilem Verhalten des Touchscreens. Solche Tests veranschaulichen die grundlegende Stabilität eines kapazitiven Touchscreen-Systems. Obwohl es keine qualifizierenden Tests sind, zeigen sie die verbesserungswürdigen Bereiche, wenn das Gesamtprodukt höheren Anforderungen als denen eines Mobiltelefons unterliegt.

Taugen Standard-PCTs?

Einige Firmen versuchen die Implementierung der Technologie für Endkunden-Anwendungen zu vereinfachen, indem sie „Standard-PCT-Produkte“ einführen. Leider müssen die Endkunden immer wieder feststellen, dass die Implementierung dieser Standardlösungen alles andere als einfach ist. In vielen dieser Fälle funktioniert der PCT wegen Systemstörungen nicht richtig.

Das Unternehmen Touchnetix hat daher einen anderen Ansatz für seine PCT-Standardprodukte gewählt, indem die Touchscreens für die Anwendungen mit den höchsten Anforderungen entwickelt und getestet wurden. Das erste Standardprodukt aus der Touchnetix-Brillance-Serie ist der 10,4-Zoll Touchscreen (TNxBR-104-A2-AB-001) mit dem Namen „Attis“. Dieses Modul ist mit verschiedenen LCDs getestet und evaluiert, um die oben beschriebenen EN-61000er-Normen zu bestehen. Der Touchscreen kann bis zu 16 Touchpunkte gleichzeitig erkennen und verfolgen. Das Modul ist mit I2C und USB als Schnittstellen anzusteuern. Dem Entwickler stehen mit der Evaluierungs-, Test- und Tuning-Software „TNxTouchHub“ Tools zur Verfügung, um das Touchsystem einzurichten und es in Applikationen und Umgebungen zu integrieren.

Autor: Chris Ard ist Managing Director bei Touchnetix Ltd.

So funktioniert ein PCT

In der einfachsten Ausführung setzt sich ein PCT-Screen aus einem Frontpanel – gewöhnlich aus Glas – und einem Sensorelement zusammen. Dieses besteht normalerweise aus zwei ITO-Schichten auf Glas oder PET. Das Ganze ist über eine Anschlussfahne, den FPC-Tail, mit der Leiterplatte verbunden. Den Aufbau mit dem Touchcontroller auf der Anschlussfahne nennt man „active tail“. Befindet sich dieser auf der Hauptplatine, bezeichnet man den Anschluss als „passive tail“.

Deckglas – 0,7 bis 5 mm transparenter Klebstoff – 0,05 bis 0,1 mm ITO*)-Empfangs-Schicht auf PET**) – 0,18 mm transparenter Klebstoff – 0,05 bis 0,1 mm ITO-Sende-Schicht auf PET – 0,18 mm

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Im Falle von Anwendungen mit sehr hohen Stückzahlen integriert man den Touchsensor so weit wie möglich: Entweder führt man Teile des Sensorstacks als Teil des Frontpanels aus („window integrated“) oder integriert den PCT-Sensor auf oder in das LCD („on cell“ oder „in cell“). Somit entsteht eine preisgünstigere, leichtere und dünnere Einheit. Die sehr kundenspezifischen Anforderungen und die spezielle Bauweise, welche zum Geräte-Einbau erforderlich ist, schränken die möglichen Anwendungsfälle jedoch häufig ein.

Zur Ansteuerung eines PCT-Screens gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten mit einer Vielzahl von Varianten. Die zugrundeliegende Technologie basiert jedoch auf durchaus ähnlichen Prinzipien. Bei der ersten Möglichkeit pulst man Ladungspakete in Transmitterleitungen und misst die auftretende Ladung an einer Receiverleitung – man spricht dabei von einer Breitbandmessung. Bei der zweiten Technik erzeugt man eine feste Frequenzform in den Transmitterleitungen, die dann in bestimmtem Sensorknoten „nodes“ in die Receiverleitungen koppeln. Dadurch entsteht ein festes Muster an Kapazitätswerten jedes Knotens. Diese Technologie nennt man Schmalbandmessung.
Beide Prozesse definieren die ruhenden Werte der Kapazität jedes Transmitter-/Receiver-Knotens, welche dann als Referenzwerte ihre Verwendung finden. Wird ein Finger oder ein leitfähiger Gegenstand in die Nähe eines Sensorknotens gebracht, reduziert sich die Kopplung zwischen Transmitter und Receiver. Die Veränderung dieser Kopplung ist messbar.

Sensordesigns für Multitouch verwenden ein rechtwinkliges Matrix-Gitter, um ein Bild der Oberfläche darzustellen. Hierzu wird zwischen den Signalen der Sensorknoten – den Schnittpunkten der X- und Y-Sensorleitungen – interpoliert. Dieses Bild aller Sensorknoten wird anschließend verarbeitet, um den tatsächlichen Touchpunkt zu errechnen. Der minimale Abstand zweier benachbarter Touchpositionen ergibt sich aus dem zweifachen Abstand der Sensorknoten und entspricht dem minimalen Fingerabstand.

*) ITO-Schicht: transparente, leitfähigen Oxidschicht aus Indiumzinnoxid (engl. indium tin oxide, ITO)
**) PET: Polyethylenterephthalat, thermoplastischer Kunststoff