Seit sich Handheld-Elektronikgeräte mit reaktionsschnellen und intuitiv bedienbaren projiziert-kapazitiven Touchscreen-Bildschirmen etabliert haben, steigt auch die Nachfrage an den komfortablen Benutzeroberflächen in anderen Anwendungen. Stark beanspruchte und strapazierte Displays in der Industrie, öffentlichen Informationssystemen und Selfservice-Anwendungen profitieren von den modernen Oberflächen.

Großformatige und strapazierfähige P-Cap-Touchsensor-Technik mit mehrfachen Berührungspunkten eignet sich in der Industrie für öffentliche Informationssysteme und für Self-Service-Anwendungen.

Großformatige und strapazierfähige P-Cap-Touchsensor-Technik mit mehrfachen Berührungspunkten eignet sich in der Industrie für öffentliche Informationssysteme und für Self-Service-Anwendungen.Zytronic

Für den Einsatz der P-Cap-Touchsensor-Technologie in diesen Bereichen muss das Gerätedesign jedoch bestimmte technische Voraussetzungen erfüllen. Wenngleich ihre Reaktionsgeschwindigkeit und Sensitivität im Allgemeinen für die Verwendung in Smartphones und Tablet-Computern mehr als ausreicht, sind konventionelle P-Cap-Sensormechanismen in  häufig unwirtlichen Umfeld einer sehr starken Belastung ausgesetzt. Daher sind P-Cap-Varianten gefragt, die den Anforderungen dieser Einsatzbereiche besser gewachsen sind.

Die phänomenale Geschwindigkeit, mit der P-Cap als Touch-Technologie angenommen wurde, spricht dafür, dass sie HMI ermöglicht, die nicht nur höchst strapazierfähig und damit langlebiger sind als vergleichbare Touchsensor-Technologien, sondern neben einem hohen Maß an Sensitivität auch eine nahtlose Interaktionsfläche von Kante zu Kante aufweisen – ohne den aktiven Bereich mit einer Einfassung umgeben zu müssen. Darüber hinaus sind sie gegen unbeabsichtigte Berührungen immun, da sie nur auf einen Finger oder einen leitfähigen Eingabestift reagieren.

Das Trägermaterial wird beim Herstellen von PCT verwendet..

Das Trägermaterial wird beim Herstellen von PCT verwendet..Zytronic

P-Cap-Sensormethode

Die Mehrheit der P-Cap-Touchsensoren ist derzeit gegenseitig kapazitiv. Dabei besteht der Berührungssensor aus zwei getrennten leitfähigen Schichten, die jeweils direkt mit der Steuerelektronik verbunden sind. Eine davon enthält die Zellen, die die Position der Berührung bestimmen und die andere die Antriebszellen zum Leiten der Ladung. Bei einer Berührung der Touchscreen-Oberfläche ändert sich die Ladung der lokalen elektrischen Felder. Das senkt die zwischen den beiden Schichten des Sensors vorhandene gegenseitige Kapazität, und diese Veränderung registrieren wiederum die Zellen in der Sensorschicht. Dann berechnen Detektionsalgorithmen in der Berührungssteuerung des Systems, bei welchen Zellen die stärkste Veränderung zu verzeichnen ist und übermitteln anhand dessen die genaue XY-Position an den Host-PC.

Ein Beispiel, das die P-Cap-Sensortechnik-XY-Raster von nicht-terminierten Kupferleitungen darstellt.

Ein Beispiel, das die P-Cap-Sensortechnik-XY-Raster von nicht-terminierten Kupferleitungen darstellt.Zytronic

Die eigenkapazitive P-Cap-Sensortechnik unterscheidet sich grundlegend von der gegenseitig kapazitiven, da hier ein XY-Raster nicht terminierter Kupferleitungen mit einer Berührungssteuerung verbunden ist, die über alle benötigten Detektionsalgorithmen verfügt. Die Kapazität des menschlichen Körpers beeinflusst die in den Leitungen befindliche Ladung. Wenn sich also ein Finger der Oberfläche des Touchscreen-Bildschirms nähert, lässt sich erfassen, welche der Leitungen in der X- und Y-Achse eine Spannungsspitze verzeichnet. Die exakte Position empfängt der PC als Meldung.

Größe als Herausforderung

Das funktioniert zwar ausgezeichnet auf kleineren Displayformaten, ist jedoch wesentlich schwerer auf größere Bildschirme zu übertragen, da die Steuerung von jeder einzelnen Sensorzelle gemeldete Daten erfassen muss. Bei großflächigen Touchscreen-Implementierungen führt das zu einer Überlastung. Das begrenzt normalerweise die maximal wirksame diagonale Displaygröße auf ungefähr 15 Zoll, da ein darüber hinausgehendes Format kostspielige und höchst komplexe Steuerelektronik erfordert.

Außerdem verwendet man bei der Herstellung der Zellenmatrix der gegenseitig kapazitiven P-Cap-Sensoren im Allgemeinen Indium-Zinnoxid (Indium Tin Oxide, ITO). Das ITO, ein beinahe durchsichtiger elektrisch leitfähiger Stoff, lässt sich mit einem fotolithografischen Prozess ähnlich wie bei der Halbleiterfertigung auf dem Glas auftragen; es ist aber auch aufgrund des relativ inflexiblen Verfahrens und der erforderlichen Investition bei größeren Displayformaten und höheren Stückzahlen mit Nachteilen verbunden.

Für jedes neue Design muss man eine eigene fotolithografische Maske erstellen, wodurch sich die Stückkosten und der Zeitaufwand zur Erstellung von Prototypen erhöhen. Darüber hinaus weist ITO einen relativ hohen elektrischen Widerstand auf, was wiederum die Signalintegrität bei größeren Bildschirmen und damit auch die Berührungsempfindlichkeit sowie die Touch-Leistung erheblich beeinträchtigt.

Eigene Entwicklung und eigenkapazitiv

Zytronic hat sich auf die Entwicklung von P-Cap-Sensortechnologie konzentriert, die bestimmte Vorteile der konventionellen eigenkapazitiven und gegenseitig kapazitiven Berührungserfassung verbindet. Seine bekannte firmeneigene projiziert-kapazitive Technik PCT ist von Natur aus eigenkapazitiv und besser für die Anwendung in größeren Bildschirmen geeignet als auf gegenseitiger Kapazität beruhende Sensoren.

Auch für die Großen

PCT-basierte P-Cap-Sensoren verbinden Vorteile der konventionellen eigenkapazitiven und der gegenseitig kapazitiven Berührungserfassung. Die projizierte kapazitive Technik PCT ist eigenkapazitiv; daher eignen sich die Sensoren besser für die größere Displays und die Massenproduktion als auf gegenseitiger Kapazität beruhende Sensoren.

PCT besteht aus einer in einem laminierten Träger eingebetteten X-Y-Matrix aus mikroskopischen Kupferkondensatorleitungen. Die zugehörige Berührungssteuerung prüft diese Kondensatormatrix aktiv auf Veränderungen. Über die Modulation einer erzeugten Frequenz von rund 1 MHz in dieser Matrix lassen sich bereits winzige Kapazitätsänderungen in den einzelnen Kupferleitungen, die der Benutzer beim Berühren des Bildschirms erzeugt, registrieren. Die Firmware der Steuerung berechnet dann exakt die Position der Berührung und meldet dem Hostsystem die X-Y-Koordinaten. Ein deutlicher Pluspunkt beim Einsatz in industriellen oder öffentlich zugänglichen Anwendungen im Freien.

Die Kupferkondensatorleitungen haben einen geringeren Widerstand als aus ITO gefertigte Sensorzellen und ermöglichen die Berührungserfassung sogar auf über 80-Zoll-Bildschirmen. Die Kupferleitungen lassen sich mit einem speziellen Verfahren direkt auf der Glasoberfläche aufbringen. Fotomasken benötigt man nicht, was sowohl die Einmalaufwendungen und die erforderliche Entwicklungszeit reduziert.

Groß und robust

Da Techniker intuitivere Benutzeroberflächen und großformatige Designs für Handel, öffentliche Bereiche und Medizin entwickeln wollen, bringt das die ITO-basierte gegenseitig kapazitive P-Cap-Technologie an ihre Grenzen. Das verwendete Herstellungsverfahren ist auf kleinformatige, hochvolumige Designs ausgerichtet, lässt sich jedoch schwer auf andere Bedingungen übertragen. Die auf PCT basierten P-Cap-Sensoren sind robust und eignen sich selbst für große Displays und Massenfertigung. Daher ermöglichen sie berührungsempfindliche Oberflächen bei vielen elektronischen Geräten, was wiederum den Benutzerkomfort erhöht.

Wichtig ist es hervorzuheben, dass die gegenseitig kapazitiven P-Cap-Sensoren nicht minderwertig sind, da sie verschiedenen Vorteile haben. Aufgrund der Leichtigkeit, mit der sie bei angemessener Zellendichte und Rechnerleistung die für eine Multitouch-Funktionalität erforderliche Datenerhebung ermöglichen, sind sie in Anbetracht der steigenden Nachfrage an Modelle für gleichzeitige Bildschirmberührungen mehrerer Benutzer und Erkennung komplexer Gesten von unschätzbarem Wert.

Zukunftsmusik

Es zeichnet sich bereits ab, dass die P-Cap-Sensortechnologie dank ihrer starken Gesamtleistung und Designvorteile gegenüber anderen auf dem Markt befindlichen Sensortechnologien eine vielversprechende Zukunft hat. Moderne eigen- und gegenseitig kapazitive Sensoren – in Verbindung mit der laufend verbesserten zugehörigen Steuerelektronik – haben Eigenschaften, durch die sie sich für verschiedene Bereiche eignen.

Dabei spielen Umgebung, Displayformat, Touch-Leistung und Stückzahlen eine Rolle. Die in dem Sektor erzielten Fortschritte resultieren in gegenseitig kapazitiven Multi-Touch-Sensoren aus alternativen Werkstoffen zu ITO, die mehr Flexibilität und Skalierbarkeit aufweisen sollen.