Touch-Sensorik im Überblick Touch-Eingabe: Von PCAP bis Metal-Mesh mit Kupfer

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Touch-Eingaben auf Displays erfolgen auf sehr unterschiedliche Weise. PCAP-Touch, resistiver Touch oder Infrarot kommen zum Einsatz. Sie alle haben ganz unterschiedliche Vor- und Nachteile und eignen sich für verschiedene Anwendungen. Eine Übersicht.

Touch-Sensorik hat längst die Welt der interaktiven technischen Anwendungen erobert, nicht nur in der Unterhaltungselektronik, sondern auch im Automobilbau sowie in industriellen Anwendungen. Die Entwicklungen für die verschiedenen Marktsegmente unterscheiden sich zum Teil deutlich – auch wenn allen die Forderung nach einfacher Bedienbarkeit und hoher Reaktionsfähigkeit gemeinsam ist – und basieren auf unterschiedlichen Verfahren. Hier ein kurzer Überblick über gängige Touch-Techniken, ihre Funktionsweisen und die jeweiligen Vor- und Nachteile.

Wenn ein Finger oder ein leitfähiger Stift sich einer Elektrode nähert, stört er das elektromagnetische Feld und verändert die Kapazität. Die PCAP-Technik funktioniert durch das Erkennen der Berührungen – diese Berührung wird beispielsweise durch eine Glasscheibe projiziert und verändert die Kapazität.

Wie verschiedene Touch-Techniken funktionieren

PCAP-Touch basiert auf der Messung der Kapazität an jeder adressierbaren Elektrode. Die Kapazitätsänderung wird gemessen und in eine X/Y-Position umgewandelt, so dass das System die Berührung zuordnen und die Position erkennen kann. PCAP-Touch kann im Freien eingesetzt werden, eignet sich für die Bedienung mit Finger, Stift und Handschuh, unterstützt Formate bis 110 Zoll, Temperaturen von -40 bis 90 Grad Celsius und ist auch bei hoher Luftfeuchtigkeit einsatzbereit. Zudem punktet er mit hoher Langzeitstabilität und guter optischer Durchlässigkeit.

Ein resistives Touchpanel besteht aus zwei elektrisch leitfähigen Schichten, in der Regel ITO (Indium-Zinn-Oxid), auf einem Träger aus Kunststoff/Glas und PET (Polyethylenterephthalat). Die beiden leitfähigen Schichten sind durch Spacer Dots voneinander getrennt. Wenn ein Finger oder Stift die Oberfläche des Touchpanel berührt, werden die beiden leitfähigen Schichten miteinander verbunden. Die obere leitfähige Schicht wird nach unten gebogen und berührt eine darunterliegende leitfähige Schicht.

Die untere leitfähige Schicht wird unter Spannung gesetzt und dann bei Berührung der beiden leitfähigen Schichten die Veränderungen des elektrischen Widerstands ermittelt, der die Position der jeweiligen Druckstelle wiedergibt. Die Widerstandänderung wird durch geeignete Elektronik (Controller Chip) an das System übertragen und somit der Berührungspunkt ermittelt.

Auch diese Technik lässt sich außerhalb von Gebäuden einsetzen. Sie lässt sich mit einem Stift oder Finger bedienen. Eine Bedienung mit Handschuhen oder mehrere Berührpunkte (Multitouch) sind nicht möglich. Es sind nur Formate <30 Zoll möglich. Resistive Touchpanels sind sehr robust und haben eine ähnliche Temperatur- und Feuchtigkeitsbeständigkeit wie die kapazitive Touch-Technik. Resistive Touchscreens sind preislich attraktiver als kapazitive Touchscreens und immer noch weit verbreitet für Anwendungen, bei denen einfache Eingabemethoden ausreichen.

Der Infrarot-Touchscreen basiert auf einer optischen Infrarot-Technik, wobei Infrarotsensoren in einem Rahmen um die Touchfläche eingebaut werden. Die eingebauten Sensoren haben Sende- und Empfängerfunktionalität, bilden ein unsichtbares Lichtleiter-Gitternetz, was bei Unterbrechung der genauen Detektion des Berührungspunktes dient.

Infrarot-Touchscreen sind nicht für den Außeneinsatz geeignet und limitiert in Temperatur- und Feuchtebeständigkeit, finden allerdings universellen Einsatz, vor allem bei großen interaktiven Displayanwendungen. Sie bieten Multitouch-Funktion und können zudem von mehreren Nutzern gleichzeitig bedient werden. Infrarot-Touchsensoren können nachträglich montiert werden, was einen Einsatz unabhängig vom Displayhersteller ermöglicht.

Bessere Performance mit dem Touch-Controller

Touch-Controller interagieren mit einem Berührungssensor und messen kleine Kapazitäts- oder Widerstandsänderungen, die dann in digitale Signale umgewandelt werden. Es gibt viele Gründe für die Verwendung eines speziellen Touchscreen-Controllers anstelle der üblichen A/D-Wandler in einem Mikrocontroller. Beispielsweise kann die Implementierung einer kapazitiven Abtastung mit einer allgemeinen MCU (Micro Controller Unit) die Einschaltzeit drastisch erhöhen und erfordert möglicherweise mehr A/D-Eingänge als verfügbar sind. Andererseits können Touch-Controller und spezielle Touch-MCUs eine höhere Genauigkeit, Rauschunterdrückung, Algorithmuseffizienz und Umgebungskompensation bieten.

VIA optronics kann den Einsatz in Kombination mit verschiedenen Touchsensor-Techniken anbieten und Touchsensorfolien wie in gebogener oder flacher Ausführung auf verschiedene Substrate aufbringen. Je nach Anforderung können die Touchmodule dann unterschiedliche Funktionen erfüllen, wie beispielsweise Single- oder Multitouch-Erkennung, Gestenerkennung, hohe Umgebungsanforderungen an Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die Möglichkeit der Stift- und Handschuhbedienung sowie die Einsatzfähigkeit verschiedener Deckgläser.

Touch-Sensoren auf Basis von Metal-Mesh

Aufgrund wesentlich höherer Leitfähigkeit und Flexibilität/Biegsamkeit im Vergleich zu anderen Sensor-Techniken wie ITO-Sensoren, ist das Anwendungsspektrum von Metal-Mesh-Sensoren sowohl hinsichtlich Designs, aber auch Funktionalität sehr breit. Der Hersteller VIA optronics baut bei seinen Designs – vor allem bei kundenspezifischen PCAP-Anwendungen – auf Kupfer basierte Metal-Mesh-Technik, die im Vergleich zu konkurrierenden Technologien eine deutlich höhere Leitfähigkeit und Beständigkeit aufweist.

Die hohe Leitfähigkeit erlaubt eine schnelle Ladezeit und somit schnelle Ansprechzeit der Funktion, den Einsatz von Stiften und Handschuhen auch bei dicken Deckgläsern, sowie hervorragende Multitouch- und Gestenfunktion. Da die Metal-Mesh-Sensoren aus hochauflösenden Metallgittern mit einer Auflösung von 3 µm bestehen, ist die Transparenz wesentlich besser als bei anderen Technologien, da nur ein Bruchteil der Fläche (transparente Folie) mit Metal-Mesh belegt werden muss.

Die hochauflösenden Strukturen erlauben zudem, die notwendigen Leiterbahnen für den Anschluss der Touchsensoren zu minimieren, was die zukünftigen Trends hinsichtlich Narrow Bezel und somit größerer Displayfläche wesentlich unterstützt. Im Vergleich zu ITO-Sensoren und anderen Metal-Mesh-Sensoren ist die Flexibilität und Biegsamkeit von Kupfer-Metal-Mesh höher oder grundsätzlich gegeben – ITO-Sensoren sind überhaupt nicht biegbar, andere Metal-Mesh-Sensoren sind begrenzt. Somit sind nicht nur flache Anwendungen möglich, sondern auch der Einbau in gekrümmte Oberflächen, was wesentlich mehr Designfreiheit gibt.

Die Vorteile von Kupfer als Sensorelement

Kupfer wird als leitfähiges Material verwendet und bietet eine hohe Beständigkeit gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit und Lebensdauer, was den Einsatz im Automobilbereich ermöglicht. Die Herstellung der Kupfer-Metallmesh-Sensoren erfolgt über einen Rolle-zu-Rolle-Druck- und Montageprozess, der eine kostengünstige Fertigung in großen Stückzahlen gewährleistet.

Hinsichtlich der Integration können die Kupfer-Metall-Gitter-Sensoren sowohl durch optisches Laminieren, optisches Bonden als auch durch einen IML- (Inmold-Labeling-)Prozess verarbeitet werden. Die Sensoren werden grundsätzlich kundenspezifisch gefertigt und erlauben eine hohe Designflexibilität. (heh)

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* Dr. Jasmin Wagner ist Chief Marketing Officer bei VIA optronics.

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