Multitouchpanels gehören in aller Regel zur Familie der projiziert-kapazitiven Touchscreens. Diese bestehen mindestens aus zwei separaten Sensorflächen, Glas oder Polyesterfolien, die mit hochtransparentem ITO (In­diumzinnoxid) leitfähig beschichtet sind. Durch einen Ätz- oder Laserprozess werden die ITO-Flächen in viele kleine, rechtwinklige Einzelfelder segmentiert und zueinander lageversetzt als X-/Y-Schnittpunkte in Reihen und Spalten abgebildet. Die Strukturen sind außerhalb des Sichtbereichs mit gedruckten oder gelaserten Leiterbahnen aus Silberleitfarbe kontaktiert und leitend zum Anschlusskontakt geführt. Folienbasierende Sensoren sind hochtransparent und elektrisch isolierend miteinander verklebt. Dadurch wird über die gesamte aktive Fläche ein matrixförmiges Netz von einzeln adressierbaren Sensoren mit ruhenden Referenzkapazitäten gebildet. Bei der Annäherung eines Fingers oder eines leitfähigen Gegenstandes wird dessen Position durch Veränderung der Kapazität der Einzelsensoren erkannt. Durch Interpolation der angrenzenden Sensorkapazitäten kann der Controller die exakte Position der Betätigung berechnen und in X-/Y-Koordinaten umwandeln.

Die elektronische Auswertung arbeitet bezüglich der Berührungserkennung mit zwei Hauptmethoden. Bei beiden Arten wird ein kapazitives Sensorfeld durch nichtleitende Medien, wie zum Beispiel durch Glas, projiziert. Dabei gilt es, die Änderung der Eigenkapazität (self-capacitance) oder der Gegenkapazität (mutual-capacitance) der Sensoren zu ermitteln. Bei der Eigenkapazitätsmethode wird der durch eine Annäherung erhöhte Ladungsfluss der X- und Y-Sensoren zum Erdungsniveau ermittelt. Die Betätigungsposition ist die Stelle, an der die Sensoren einen erhöhten Ladungsfluss aufzeigen. Die Methode der Gegenkapazität detektiert eine Änderung der Kapazität in der Sensormatrix infolge einer Parallelkopplung des Fingers zu den Schnittpunkten. Die Auswertungselektronik eines industrie­tauglichen PCI-Touchcontrollers verwendet idealerweise eine Kombination beider Methoden.

Die Störfestigkeit

Einer der wichtigsten Faktoren auf dem Weg zur Industrietauglichkeit ist die Stabilität gegenüber auf das Gerät einwirkenden EMV-Störungen. Hierbei gilt es vor allem zwei Hauptstörquellen zu berücksichtigen. Die ersten Störquellen sind die hinter dem Touchpanel integrierten Displays und getaktete Netzgeräte. Auf diese Störungen bezieht sich die EMV-Norm nach IEC 61000-4-3. Des Weiteren definiert die EMV-Norm IEC 61000-4-6 leitungsgebundene Einkopplungen von störenden Spannungsspitzen und Frequenzen. Diese Störsignale so zu eliminieren, dass das HMI-System ohne  Abweichung der Touch-Funktion positionsgenau arbeitet und keine Fehl­au­slösungen verursacht werden, ist Voraussetzung für das Erreichen der EMV-Konformität nach Klasse A.

Mit optimierten AD-Wandlern, hohen Signalspannungen, besonderen Algorithmen, wie zum Beispiel dem Frequenzsprungverfahren, sowie Hardware- und Softwarefiltern lassen sich die Störsignale umfassend unter­drücken. Mit einem speziell an die Elektronik angepassten Sensor-Design ist zusätzlich eine optimale Signal-Rausch-Differenz erzielbar.

Für folienbasierende Sensoren sind auch Lösungen mit einer zusätzlichen Abschirmfolie zum Display verfügbar. Handelsübliche PCAP-Controller und Sensoren im Standard-Design aus dem Consumerbereich genügen diesen hohen EMV-Anforderungen nicht.

Design und Konstruktion

Projiziert-kapazitive Eingabesysteme mit geschlossener Glasfront ohne Schmutzkanten sind leicht zu reinigen, kratz- und abriebfest sowie chemisch resistent. Sie ermöglichen daher einen vielfältigen Einsatz in der Industrie­automation, im Maschinenbau und in der Medizintechnik.

Die Sensorlagen sind hinter dem Frontglas geschützt und werden dadurch mechanisch nicht beansprucht. Der Verbund mehrerer Gläser erhöht zusätzlich die mechanische Robustheit des Panels. Der Einsatz von Foliensensoren hinter chemisch gehärteten Gläsern reduziert das Gewicht für Handheld-Applikationen und bewirkt zusätzlich einen Splitterschutz.

Die matrixförmige Anordnung der kapazitiven Einzelsensoren benötigt keine Kalibrierung. Auch unter rauen Umgebungsbedingungen arbeiten industrietaugliche projiziert-kapazitive Multitouch-Systeme immer positionsgenau.

Bei Schurter werden die Glas-/Glas-Sensoren vollautomatisiert im Reinraum mit Frontgläsern bis zu 24 Zoll optisch gebondet. Das Unternehmen hat hierfür eine Anlage konzipiert, die Glasdicken der Sensoren und der Frontgläser im ersten Schritt ermittelt, damit sich die notwendige Klebstoffmenge berechnen und die Glasebenen auf einen fest definierten Abstand bonden lassen. Der Hersteller verwendet ausschließlich hochtransparente UV-Klebstoffe die zusätzlich mit Luftfeuchtigkeit aushärten. Somit ist auch für Bereiche, in denen UV-Licht zur Härtung nicht einwirken kann, ein zuverlässiges Bonding gewährleistet.

Folienbasierende Sensoren werden mit halbautomatisierten Laminatoren hinter bedruckte Frontgläser ebenfalls im Reinraum hochtransparent verklebt. Die Farbstufe der Glasbedruckung im Fensterbereich erfordert im zweiten Schritt eine kurzzeitige Lagerung im temperierten Autoklaven.  Dadurch wird der nach der Laminierung resultierende geringe Lufteinschluss des hochtransparenten Acrylat-Klebstoffes vollkommen eliminiert.

Das Frontglas ist komplett durchgängig und dient als Design-Element in der Konstruktion des Eingabesystems. Dabei erfolgt die rückseitige Bedruckung der Gläser im Siebdruckverfahren mit Zweikomponentenfarben. Die Verklebung in eine Trägerplatte mit Tiefenfräsung oder in ein Gehäuse ermöglicht frontseitig den umlaufenden mechanischen Schutz der Glaskanten und rückseitig die einfache Montage von Display und Elektronik.

Der umlaufende Spalt zwischen Glas und Trägerrahmen beziehungsweise Gehäuse wird mit Dichtungsmaterial automatisiert vergossen; Schutz nach IP 67K ist somit über die komplette Fronteinheit möglich.

Das Dichtmaterial ist chemisch resistent und schützt den rückseitigen Farbdruck der Frontgläser vor aggressiven Medien, die im industriellen Umfeld auf das Touchpanel einwirken können.

Eine optimale Lesbarkeit des Displays, auch unter Tageslichteinfluss, gewährleisten chemisch entspiegelte Glasoberflächen. Die kratzfeste Anti-Glare-Oberfläche des Frontglases bricht und zerstreut einfallendes Umgebungslicht und verhindert somit Reflexionen.

Die vom Multitouch-User gewohnte Fingergestik unterliegt bei unbehandelten Gläsern einer sehr hohen Haftreibung bei der Fingerbewegung auf der Glasoberfläche. Eine ausgewählte Anti-Glare-Oberfläche reduziert diese Haftreibung wesentlich und ermöglicht ein angenehmes Gleiten des Fingers über das Multitouchpanel. Zu stark entspiegelte Gläser beeinträchtigen allerdings die Transparenz der Frontgläser und den Kontrast des Bildschirminhaltes. Daher ist eine optimale Auswahl des Anti-Glare-Faktors für die jeweilige Anwendung erforderlich.

Funktionstasten, die ja bei HMI-Eingabesystemen häufig gefordert sind, lassen sich mittels kapazitivien Einzeltasten realisieren, die außerhalb der aktiven Fläche des PCI-Panels, aber ebenfalls hinter dem Frontglas angebracht sind. Flächige und punktuelle Beleuchtung von Symbolen und Tastpunktbeschriftungen sowie Status-LEDs sind ebenfalls hinter dem Frontglas platziert. Bedruckte Beschriftungen im Verschwinde-Effekt sind nur bei rückseitiger Durchleuchtung erkennbar. Zusätzliche Slider und Wheels lassen sich im oder auf dem Glas als haptische Fingerführung für den Anwender realisieren.

Features und Bedienkonzepte

Die multitouch-fähigen PCI-Panels sind auf dem Wege, die Singletouch-Bedienoberflächen langfristig abzulösen. Und dies aus gutem Grund: Multitouch-Oberflächen mit Fingergestik ermöglichen neue Bedienkonzepte mit erheblich gesteigerter Ergonomie. Weiterer Vorteil: Die mögliche Zweihandbedienung erlaubt den Ausschluss unbeabsichtigter Parameteränderungen oder Befehlsausführungen, wenn der Anwender hierfür zwei Tastflächen gleichzeitig aktivieren und bestätigen muss. Komplexe Maschinen- und Anlagenvisualisierungen lassen sich letztlich mit Multitouch somit sehr viel leichter überblicken und intuitiver bedienen, was letztendlich die Anlagensicherheit erhöht.

Damit Multitouch zu einem voll­ständig integrierten Bedienkonzept werden kann, müssen das Betriebs­system und die HMI-Software die entsprechenden Voraussetzungen erfüllen. Windows 7 beziehungsweise Windows 8, in der Standard- und der Embedded-Variante, unterstützt alle Multitouch-Funktionen.

Autor: Roland Maurer ist Produkt Manager Input Systems bei Schurter in Endingen.