Industrie-Anwendungen: So wird ein sehr kleines Touch-Delta erkannt

Die Verbesserung der Berührungserkennung, die sich durch einen Touchscreen-Controller mit hohem Störabstand erreichen lässt, wurde vor kurzem von Touchnetix (eigene Schreibweise: TouchNetix) mit einem Demonstrator basierend auf dem selbst entwickelten Controller für industrielle und Automotive-Anwendungen gezeigt.

Kapazitive Touchscreens arbeiten mit einem rechtwinkligen Gitter aus Sender- und Empfänger-Elektroden (oder Treiber- und Sensor-Elektroden), die sich normalerweise auf den beiden Seiten eines transparenten Substrats und hinter einer transparenten Oberfläche, zum Beispiel aus Glas, befinden. Im Ruhezustand ist die Kapazitätsverteilung zwischen Sender und Empfänger auf der gesamten Oberfläche mehr oder weniger gleichmäßig. Wenn sich ein Finger (oder ein anderer leitender Gegenstand) der Oberfläche nähert, tritt an diesem Punkt eine leichte Änderung der Kapazität ein. Über die Messung der sich dadurch ergebenden Änderung an den betroffenen Kreuzungspunkten kann die Position des Fingers bestimmt werden.

Bild 1: Wie Gleichtaktstörungen in das Sensorelement eines Touchscreens eingekoppelt werden. Touchnetix

Die Größe der Änderung wird als das Touch-Delta bezeichnet. In einem idealen System wird der Schwellwert, an dem das System eine Berührung zuverlässig erkennt, so niedrig wie möglich über dem Hintergrundpegel angesetzt. Mit anderen Worten sollte selbst ein geringes Touch-Delta ausreichen, um vom System als gültige Berührung interpretiert zu werden. Die Gründe dafür werden weiter unten erklärt.

In realen Anwendungen der kapazitiven Berührungserkennung können zwei konkurrierende Faktoren die Wahl einer möglichst niedrigen Erkennungsschwelle beeinträchtigen:

• die Größe des Signals, das der Finger des Benutzers oder ein anderes Eingabegerät, zum Beispiel ein leitender Stift, erzeugt
• elektrische Störspannungen im System, die sich dem Signal überlagern

Das Problem bei der Entwicklung von Touchscreens liegt darin, dass der Benutzer durch das Berühren der Oberfläche des Bildschirms Störspannungen in die Elektroden einkoppelt (Bild 1). Zu den Quellen von Umgebungsstörungen gehören elektromagnetische Emissionen von Geräten wie Funkgeräten und Beleuchtungskörpern. Auch das Display selbst kann erhebliche Störspannungen erzeugen, die in die Sensorelektroden eingekoppelt werden können.

Im Touchscreen eines Consumer-Geräts, beispielsweise eines Mobiltelefons, ist eine ausreichende Systemleistung dadurch gewährleistet, dass das Signal unter normalen Betriebsbedingungen nur selten gestört wird: die Benutzer achten darauf, dass ihre Finger und die Bildschirmoberfläche trocken sind, sie benutzen den Touchscreen nicht mit Handschuhen, und das Glas der Abdeckung des Sensorelements ist dünn.

Bei Touchscreens im Auto und in industriellen Anwendungen können die Betriebsbedingungen sehr viel schwieriger sein. Hier wird ein System zur Berührungserkennung verlangt, das sehr viel besser dazu fähig ist, zwischen Signal und Störspannung zu unterscheiden, wie in diesem Artikel erklärt wird.

Ein sehr geringes Touch-Delta erkennen

Die Fähigkeit, ein sehr kleines Touch-Delta zuverlässig zu erkennen, ist in industriellen und Automotive-Anwendungen sehr viel wichtiger als bei Consumer-Geräten. Das liegt daran, wie Touchscreens bei industriellen und Automotive-Anwendungen benutzt werden und in welchen Betriebsumgebungen sie eingesetzt werden. Beide Faktoren neigen dazu, das vom Finger des Benutzers erzeugte Signal und damit auch das Touch-Delta zu verringern.

Zu diesen Faktoren gehören:

• Die Bedienung des Touchscreens mit Handschuhen – eine wichtige Fähigkeit, wenn potenziell gefährliche Industrieanlagen in gefährlichen Umgebungen bedient werden.
• Dicke Schutzabdeckungen – Touchscreens von Geldautomaten haben zum Beispiel mehrere Lagen aus Glas und transparentem Kunststoff, um sie vor Beschädigungen durch Vandalismus oder Diebstahl zu schützen.
• Um die Benutzererfahrung zu verbessern, setzen die Entwickler von Display-Bedienerschnittstellen (UI) gestaltete und konturierte Oberflächen ein. Ränder, Erhebungen und Vertiefungen in der berührungsempfindlichen Oberfläche führen den Finger des Benutzers zu häufig genutzten Punkten der Oberfläche. Beispiele hierfür sind virtuelle Tasten für die Funktionen „Home“ und „Zurück“. Das ist vor allem bei Touchscreens in Automotive-Anwendungen ein sehr praktisches Feature, denn es hilft dem Fahrer, den Finger in der UI des Displays genauer zu positionieren, ohne den Blick von der Straße zu nehmen.
• Eine weitere Verbesserung bei der UI des Displays ist die Hover- oder Näherungsfunktion: die Erkennung, dass sich ein Finger nähert, bevor er die Oberfläche des Bildschirms berührt. So kann beim Touchscreen eines Fahrzeugs das Icon der Taste, der sich der Finger nähert, hervorgehoben oder herangezoomt werden, um dem Finger auf der Bildschirmoberfläche einen größeren Zielbereich zu geben.

Diese Features haben sich bisher nur schwierig implementieren lassen, da sie die Erkennung eines sehr viel kleineren Touch-Deltas als beim Touchscreen eines Mobiltelefons voraussetzen. Dicke Schutzgläser und Handschuhe verringern die Kapazitätsänderung durch einen Finger, der die Oberfläche des Bildschirms berührt, ganz erheblich. Eine ähnliche Herausforderung stellt die Näherungserkennung dar. Ein Finger, der einige Millimeter über der Bildschirmoberfläche schwebt, erzeugt eine rund tausend mal geringere Kapazitätsänderung als bei der direkten Berührung des Bildschirms.

In vielen dieser industriellen und Automotive-Anwendungsfällen ist die Größe des Touch-Signals daher sehr viel geringer. Gleichzeitig ist die Amplitude der Störspannung häufig größer als in Consumer-Anwendungen und sie kann einen größeren Frequenzbereich abdecken. Industrielle Touchscreens werden häufig in der Nähe von Motoren und anderen Hochspannungsausrüstungen eingesetzt, die enorme Mengen an EMI erzeugen. Der Innenraum eines Fahrzeugs ist durch den Betrieb von Funkeinrichtungen, Motoren, Beleuchtung, Spannungsversorgungen und drahtlose Kommunikation ebenfalls voller elektrischer Störsignale.

Wenn das Touch-Delta-Signal kleiner und der Störanteil höher ist, besteht die Gefahr, dass die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen der OEM für den Bereich Industrie und Automotive nicht erfüllt werden. Das muss unter allen Umständen verhindert werden, sodass Berührungen immer erkannt und durch Störsignale verursachte falsche Erkennungen ausgeschlossen werden.

Thema der nächsten Seite sind die Vorteile eines hohen Störabstands

Bild 2: Silberdendrite zwischen den Leiterbahnen bei einer Treiberspannung von 18 V nach einem Standardtestzyklus (504 Stunden, 60 °C, 90 % RH). Touchnetix

Die in heutigen industriellen und Automotive-Touchscreen-Systemen häufig „zweckentfremdet“ eingesetzten Controller-ICs für Consumer-Touchscreens können diese Anforderungen bisweilen nur schwierig erfüllen. Ihr typischer Störabstand (SNR) von 50 bis 55 dB reicht für eine zuverlässige Berührungserkennung bei einem Mobiltelefon aus, nicht jedoch bei den hohen Stör- und geringen Signalspannungen, wie sie bei industriellen und Automotive-Touchscreens auftreten.

Die naheliegende Lösung bei Systemen mit dieser Art von Touchscreen-Controllern besteht darin, die Signalamplitude mithilfe einer höheren Treiberspannung für die Senderelektroden der Sensorelemente zu vergrößern. Allgemein gilt: je höher die Treiberspannung, desto größer das Touch-Delta. Die Hersteller von Touchscreen-Controllern haben ihre Bauteile dementsprechend modifiziert. Sie arbeiten nun mit Treiberspannungen, die über den in Consumer-Geräten gemeinhin verwendeten 3 V liegen. Stattdessen wird in industriellen und Automotive-Anwendungen mit sehr viel höheren Spannungen von 30 oder sogar 40 V gearbeitet.

Eine Erhöhung der Treiberspannung hat jedoch zwei wesentliche Nachteile. Zum einen führt sie zu sehr viel höheren abgestrahlten Störungen, die die Anstrengungen der OEM zur Einhaltung der EMV-Vorschriften kompromittieren können. Verstärkt wird die schädliche Wirkung der Emissionen des Touchscreens dadurch, dass die herkömmlichen Treibersignale häufig Rechtecksignale mit einem komplexen Oberwellengehalt sind. Bei typischen Elementen für kapazitive Touchscreens erfolgen die Messungen normalerweise bei Frequenzen zwischen 50 und 500 kHz. Die komplexen Emissionen eines 30-40-V-Touchscreen-Treibers bei diesen Frequenzen sind stark genug, um den Lang- und Mittelwellenempfang des Autoradios oder andere Mediensysteme im Fahrzeug zu stören. In medizinischen Systemen können hohe Emissionen zu Beeinträchtigungen der empfindlichen Instrumente führen.

Der zweite Nachteil eines 30-40-V-Treibers ist, dass er den Korrosionsprozess der Leiterbahnen am Rand der Display-Baugruppe beschleunigen kann. Die dort eingesetzten Metalle (insbesondere Silber oder Kupfer) können korrodieren oder migrieren, wenn sie hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit ausgesetzt sind und eine Spannungsdifferenz zu einem benachbarten Leiter besteht. Bei einer getakteten Treiberspannung von 30 V beträgt die lokale Feldstärke 3 MV/m während des Impulses und 0 V/m im Ruhezustand, während der Abstand zwischen den Leiterbahnen nur 10 µm betragen kann.

Mit der Zeit bildet die Elektromigration leitende Dendrite zwischen den Leiterbahnen, die schließlich die Kanäle des Berührungssensors kurzschließen und so zum vorzeitigen Ausfall des Touchscreens führen (Bild 2). Dies gilt sowohl bei Sensoren auf Glas- als auch auf Kunststoffsubstraten. Auch bei Leiterbahnen aus Kupfer tritt dieser Effekt auf, wenn auch langsamer als bei Silber.

Die dielektrischen Materialien im Sensor, zum Beispiel die Klebstoffe, können durch die hohen elektrischen Feldstärken ebenfalls geschädigt werden und sich zersetzen, wobei sich mikroskopisch kleine Blasen bilden, die die Lebensdauer des Produkts verkürzen.

Niedrige Treiberspannung ohne Gleichspannungsanteil

Ein sehr viel besserer Weg, kleine Signale in einer stark gestörten Umgebung zu erkennen, besteht darin, die Treiberspannung niedrig zu halten und stattdessen den Störabstand des Touchscreen-Controllers zu verbessern. Die Verbesserung der Berührungserkennung, die sich durch einen Touchscreen-Controller mit hohem Störabstand erreichen lässt, wurde vor kurzem von Touchnetix mit einem Demonstrator zum Einsatz in industriellen oder Automotive-Anwendungen gezeigt.

Bild 3: Die Axiom-Touchscreen-Controller wurden speziell für industrielle und Automotive-Anwendungen entwickelt. Touchnetix

Der gezeigte Touchscreen arbeitet mit einem „aXiom“-AX310-Touchscreen-Controller, der einen Störabstand von 80 dB aufweist (Bild 3). Bei der Axiom-Controller-Familie setzt Touchnetix ausgeklügelte Schmalband-Sendetechniken ein, die den Entwicklern von Funkkommunikationssystemen durchaus vertraut sind, bei Touchscreen-Systemen bisher jedoch nur selten zur Anwendung gekommen sind. Im Zusammenspiel mit einer Technologie zur Störungsminderung und einer hochentwickelten DSP-Engine sind die Sensorarchitektur und das analoge Frontend des Axiom-Controllers so empfindlich, dass sie das Trägersignal selbst dann noch erkennen, wenn es mehrere tausendmal kleiner als das Störsignal ist.

Die hohe Empfindlichkeit des Axiom-Chips ermöglicht einen Betrieb mit einer sinusförmigen Treiberwellenform bei einer niedrigeren Treiberspannung von nur 2,5 V_ss ohne Gleichspannungsanteil. Die dadurch verursachten elektromagnetischen Emissionen sind äußerst gering. So können die OEMs mühelos und ohne kostenaufwendige Gegenmaßnahmen zur Störungsminderung die CISPR25-Level-3-Spezifikationen für abgestrahlte Emissionen einhalten. Die niedrige Treiberspannung reduziert außerdem ganz erheblich das Risiko eines vorzeitigen Touchscreen-Ausfalls aufgrund von Materialbeeinträchtigung in heißen und feuchten Umgebungen.

Dank des hohen Störabstands selbst bei dieser niedrigen Treiberspannung ist eine sehr gute Leistung des Touchscreens möglich. Der Demonstrator von Touchnetix erkennt zuverlässig Berührungen mit dem Finger durch Acryl-Schutzgläser mit mehr als 10 mm Dicke und sogar durch Displayaufbauten mit einem kleinen Luftspalt.

Auch die Hover-Fähigkeiten sind sehr gut: Der AX310 erkennt ein Objekt über der Displayoberfläche bereits in einer Entfernung von über 80 mm. Im Unterschied zu bisherigen Verfahren zur Hover-Erkennung benötigt das aXiom-System keine weiteren Elektroden, und die Außenkante des Touchpanels belegt keinen zusätzlichen Randbereich.

(neu)