Bild 1: Elektrodenanschluss bei einem ITO-basierenden Touch-Sensor.

Bild 1: Elektrodenanschluss bei einem ITO-basierenden Touch-Sensor. Atmel

Während ITO-basierte Lösungen hinsichtlich Linearität, Auflösung und Störfestigkeit eine geringere Leistung bieten, bringen X-Sense-Touch-Sensoren in diesen Bereichen Verbesserungen. Zudem ermöglichen sie Entwicklungsingenieuren die Realisierung völlig neuer Produkte. Denkbar sind etwa Touch-Produkte mit engen Rahmen, gebogenen Oberflächen und rahmenlosen Touchscreens.

Fortschrittliche Touch-Sensoren durch niedrigeren Schichtwiderstand

Bild 2: Elektrodenanschluss beim X-Sense-Touch-Sensor.

Bild 2: Elektrodenanschluss beim X-Sense-Touch-Sensor.Atmel

Die FLM-Technologie (Fine-line metal) ist die Grundlage für neue hochflexible, dünne Touch-Sensoren. Verglichen mit konventionellen Sensormaterialien haben die X-Sense-Sensoren einen deutlich niedrigeren Schichtwiderstand. Dies ist aus mehreren Gründen ein wichtiger Fortschritt für Touch-Sensor-Designs. Der Schichtwiderstand der X-Sense-Touch-Sensoren liegt im Allgemeinen bei weniger als einem Zehntel dessen, worüber ITO-basierte Sensoren verfügen. Außerdem erlauben der niedrige Schichtwiderstand und die äußerst geringen Ausrichtungstoleranzen des Sensorgewebes viel kleinere Sensorrahmen und Bondflächen. Dies verkleinert die mechanische Baugröße der unterstützenden Schaltung des Touch-Sensors.

Auf einen Blick

ITO-basierte Sensoren haben die Verbreitung von Touch-Bildschirmen in der Konsumelektronik sowie in Industrie- und Automobilanwendungen beschleunigt. In den Bereichen in denen ITO-basierte Lösungen geringere Leistung bieten wie Linearität, Auflösung und Störfestigkeit, bringen die X-Sense-Touch-Sensoren Verbesserungen, wodurch sich neue, innovative Produkte realisieren lassen.

Durch den hohen Schichtwiderstand von ITO müssen die Elektroden des Touch-Sensors oft an beiden Enden mit dem Touchscreen-Controller verbunden werden (Bild 1). Diese Anordnung erfordert deutlich breitere Sensorrahmen besonders für größere Displays mit einer großen Zahl von Sensorknoten. Weiterhin begrenzt der beim Aufbringen der Metallbahnen angewandte Siebdruckprozess den Abstand der Leiterbahnen. Zudem macht der hohe Schichtwiderstand von ITO die Implementierung einer kapazitiven Touch-Erkennung bei großen Displays schwierig.

Im Gegensatz dazu ist der Elektroden-Schichtwiderstand bei den X-Sense-Sensoren deutlich niedriger, so dass bei dieser Technologie durch Elektrodenverbindungen nur an einem Ende die Breite des Rahmenbereiches deutlich verkleinert werden kann. Dies gilt auch bei Displays über 10 Zoll.

Bild 3: 10,1-Zoll-ITO-Sensor mit typischem Tracking und FPC.

Bild 3: 10,1-Zoll-ITO-Sensor mit typischem Tracking und FPC.Atmel

Möglichkeit für schmale Rahmen

Der in der Fertigung des Materials verwendete einstufige Abscheideprozess ermöglicht eine auf 10 µm genaue Ausrichtung der Schichten mit einer Toleranz, die deutlich geringer ist als bei einem typischen mehrlagigen ITO-Sensor. Dadurch haben X-Sense-Sensoren gegenüber ITO-Sensoren schmalere FPC-Bond-Flächen. Zudem liegt die Leiterbahnbreite bei einem X-Sense-Sensor der ersten Generation bei 30 µm und der Abstand bei 40 µm. Diese Platzeinsparungen zusammen ermöglichen Rahmenbreiten, die einen Bruchteil der Breite von ITO-Sensoren aufweisen (Bild 3).

Bild 4: Beispiel eines 10,5-Zoll-X-Sense-Sensors mit Tracking und FPC Bond-Flächen.

Bild 4: Beispiel eines 10,5-Zoll-X-Sense-Sensors mit Tracking und FPC Bond-Flächen.Atmel

Schließlich sind die Elektroden flexibel und können um die Kanten herumgebogen werden, was neue Produkt-Designs ermöglicht. Dagegen sind die Elektroden von konventionellen Sensoren, sobald diese geätzt und gehärtet sind, spröde und können nicht so einfach geformt werden, um sich einer Oberfläche anzupassen. Die Entwicklungsingenieure sind damit in der Lage, die aktive Fläche des Sensors zu erweitern sowie den Sensor um die Seiten eines Geräts herumzuführen und die Leiterbahnen auf die Seite oder Rückseite des Geräts zu legen. So bleibt die gesamte Oberfläche auf der Frontseite für die Touch-Bedienung frei.

Bild 5: Randloses Smartphone-Konzept mit kapazitiver seitlicher Steuerung.

Bild 5: Randloses Smartphone-Konzept mit kapazitiver seitlicher Steuerung.Atmel

Weniger Störempfindlichkeit, besseres Sensor-Ansprechverhalten

Eines der Hauptprobleme bei kapazitiven Touch-Sensoren ist die große Nähe zu Störquellen, wie Displays. Preisgünstige USB-Ladegeräte bringen zusätzliche Probleme, da sie weitere Störungen in das gesamte Gerät einbringen. Ein wichtiger Faktor, der beeinflusst, wie stark sich Störungen auf das Verhalten des Touch-Sensors auswirken, ist die Ladezeit des Sensors. Je länger die Ladezeit ist, desto mehr Zeit haben die Störungen, um sich in die Signale einzukoppeln und dadurch das Verhalten des Touch-Sensors zu beeinflussen.

Weil konventionelle Sensor-Elektroden viel höhere Widerstandswerte haben, sind deren RC-Ladezeitkonstanten deutlich länger, was eine längere Zeit für den Eingangs-Ladeimpuls erfordert. Normalerweise liegt diese Zeitdauer bei 2 µs oder mehr, je nach Bildschirmformat und sie ist ausreichend, um eine starke Einkopplung der Störung in das Touch-Signal zu erlauben. Dies reduziert den Rauschabstand (SNR) und macht eine zuverlässige Touch-Erkennung schwierig. Die Ladezeit für ITO-Sensoren kann nicht deutlich verkürzt werden, sonst laden sich die Elektroden nicht vollständig auf und die Sensorleistung verschlechtert sich.

Bild 6: Typischer ITO-Ladeimpuls.

Bild 6: Typischer ITO-Ladeimpuls.Atmel

Ein Sensormaterial mit niedrigem Schichtwiderstand senkt jedoch die RC-Zeitkonstante deutlich und erlaubt eine beträchtlich kürzere Ladezeit. Dies reduziert nicht nur die Störeinkopplung, sondern senkt auch den Stromverbrauch. Von der höheren Leistungsfähigkeit profitiert auch der Touchscreen-Controller, wie sie der X-Sense-Sensor bietet. Vorteile, wie eine höhere Anstiegsgeschwindigkeit und kürzere Ladeintervalle kann diese Kombination ermöglichen. Wird zum Beispiel ein X-Sense-Sensor zusammen mit dem Atmel-maXTouch-Touchscreen-Controller verwendet, lassen sich Ladezeiten von weniger als 1 µs erreichen. Dies hat deutlich geringere Störungen und ein verbessertes Sensorverhalten zur Folge.

Verbesserte Stiftbedienung

Da Tablet-PCs immer beliebter werden, ist die Möglichkeit mit einem Stift handschriftlich Notizen auf das Display zu schreiben eine logische Anwendungserweiterung für diese Geräte. Die Stifteingabe stellt aufgrund der kleinen Kontaktfläche der Spitze und der genauen Erfassung der dynamischen Handschriftlinien eine einzigartige Herausforderung für kapazitive Touch-Sensoren dar.

Bild 7: Typischer X-Sense-Ladeimpuls mit maXTouch-S-Touchscreen-Controller.

Bild 7: Typischer X-Sense-Ladeimpuls mit maXTouch-S-Touchscreen-Controller.Atmel

Die relativ groben Elektrodeneigenschaften von konventionellen Sensoren haben eine ungleichmäßige Verteilung des elektrischen Felds über die Oberfläche des Sensors zur Folge. Dadurch lässt sich eine konsistent gleichmäßige Linearität mit diesen Sensoren nur schwer erreichen, außer der Touchscreen-Controller arbeitet mit einer starken Signalfilterung. Die umfangreiche Signalverarbeitung führt dann aber zu einer längeren Verarbeitungszeit und zu einer großen Verzögerungszeit zwischen der Bewegung des Stifts und der Darstellung der Linie auf dem Display, was ein genaues Schreiben sehr schwierig macht. Schließlich können bei einer umfassenden Verarbeitung auch kleine Linien herausgefiltert werden, so dass kleine Buchstaben unter Umständen nicht erkannt werden. Deshalb ist die Bewegungsfilterung auf ein Minimum zu reduzieren oder muss bei der Erfassung von Handschrift ganz abgeschaltet werden, um das Ansprechverhalten zu verbessern. Damit ist aber ein Kompromiss hinsichtlich der Linearität erforderlich.

Im Gegensatz dazu erlauben die Merkmale des X-Sense-Sensors Knotenkonfigurationen, die eine sehr gleichförmige Feldverteilung und eine äußerst gute Linearität aufweisen, so dass eigentlich nur wenig oder gar keine Bewegungsfilterung für das Signal notwendig ist.