Touch-Sensorik und Display-Treiber in einem IC kombiniert

AMP in einem LCD-Display mit Touch- und Display-Treiber-ICs. Synaptics

Durch Trends wie 5G-Konnektivität und autonomes Fahren gewinnen Displays in Fahrzeugen verstärkt an Bedeutung. Vernetzte Fahrzeuge werden zunehmend zur Realität. Daher sind Automobilhersteller bestrebt, sich im Markt abzuheben und die Benutzererfahrung durch größere, hellere und interaktive Displays zu verbessern. Untersuchungen von IHS Markit zeigen, dass die Zahl der in Nordamerika hergestellten Fahrzeuge mit Displays von sieben Zoll oder mehr in den letzten fünf Jahren um fast 75 % von 6,3 auf 10,9 Millionen gestiegen ist. Bei europäischen Herstellern sind die Zahlen ähnlich. Nach Angaben von IHS Markit ist auch die durchschnittliche Display-Größe im gleichen Zeitraum von 6,4 auf 7,3 Zoll gestiegen.

Kombinierte Touch-/Display-Lösungen

Gleichzeitig erwarten Verbraucher dieselbe visuelle, intuitive und taktile Erfahrung, die sie von ihren Mobilgeräten gewohnt sind. Dazu gehört die Möglichkeit, Funktionen mit virtuellen Gesten zu steuern – durch Tippen, Zoomen mit zwei Fingern und Wischen. Das hat die Automobilindustrie dazu veranlasst, sich mit kombinierten Touch-Display-Lösungen zu befassen, die sich bereits im mobilen Bereich bewährt haben. Die meisten aktuellen Geräte verwenden integrierte kapazitive Touchscreens und Flüssigkristallanzeigen (LCDs) als Benutzerschnittstelle.

Die Herausforderung im Automobilbereich besteht darin, die gewünschte Performance zu einem akzeptablen Preis bereitzustellen und gleichzeitig den unterschiedlichen Designanforderungen gerecht zu werden sowie strengere Standards zu erfüllen als reguläre Geräte. Durch die Kombination von Touch und Display – eigentlich separate Komponenten – in einer einzigen IC-In-Cell-Lösung können Automobilhersteller die Kosten senken und trotzdem die benötigten Benutzerschnittstellen in den gewünschten Formfaktoren liefern.

TDDI – Kombination von Touch-Sensoren und Display-Treibern

Infolgedessen haben sich LCD-Displays mit Touch- und Display-Treiber-ICs (Touch and Display Driver IC, TDDI) zur bevorzugten Option für die zunehmende Anzahl und Größe von Fahrzeug-Displays entwickelt. Insbesondere große LCD-Center-Stack-Displays mit interaktiven und dynamischen Navigations- und Infotainment-Systemen haben die Nachfrage angekurbelt. In Kopfstützen integrierte Displays sowie Rückfahr- und Seitenkameras sind weitere Einsatzmöglichkeiten im Automotive-Bereich. OLEDs, die in mobilen Geräten, Fernsehern und Wearables weit verbreitet sind, konnten sich im Automobilbereich jedoch nicht durchsetzen. Zwar werden OLEDs in einigen Automodellen verbaut. Es ist jedoch nicht davon auszugehen, dass sie sich im Automotive-Sektor durchsetzen werden. Gegen einen breiten Einsatz sprechen die vergleichsweise hohen Kosten sowie die geringere Haltbarkeit und Helligkeit.

Hohe Helligkeit, geringe Reflexion von Sonneneinstrahlung und nicht sichtbare Sensormuster gehören zu den wesentlichen Anforderungen aus dem Automobilsektor. Diese lassen sich mit herkömmlichen Mehrkomponenten-Ansätzen in unterschiedlichen Maßen realisieren. Die Forderung nach einer möglichst schlanken Lieferkette spricht ebenfalls für eine hohe Integration. Ein wichtiges Thema ist zudem die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Für diskrete Touch-Sensoren früherer Generationen kann dies eine Herausforderung darstellen.

TDDI-Lösungen, bei denen Synaptics wesentliche Grundlagen geleistet hat, sind im Mobilfunksegment weit verbreitet. Etwa 60 % des Smartphone-Marktes stellte innerhalb von vier Jahren nach Einführung dieser Technik auf TDDI um. Die Produkte sind dünner, haben hellere Displays mit randlosem Design und kosten weniger.

TDDI für die Anforderungen der Automobilhersteller

Segmentierung eines VCOM-Layers für AMP-Elektroden. Synaptics

TDDI wurde für die Anforderungen der Automobilhersteller entwickelt und an sie angepasst. Touch-Controller und Display-Treiber sind auf eine neuartige Weise integriert. Dadurch verringert sich die Anzahl der Komponenten, und das Design wird schlichter. Da der Touch-Sensor im Rahmen des LCD-Herstellungsprozesses eingebettet wird, können LCD-Hersteller die Kosten erheblich senken und die optische Klarheit verbessern. TDDI-Lösungen für die Automobilindustrie, auf die OEM-Hersteller und Tier-1-Zulieferer heute setzen, vereinen ausgereifte Touch- und Display-Technologien in hybriden In-Cell-Designs. Die vorhandenen LCD-Layer machen einen diskreten Touch-Sensor überflüssig.

Durch die Integration des Touch-Sensors in die Display-Elektroden auf dem Dünnschichttransistor-Glas (TFT-Glas) reduzieren TDDI und die integrierte In-Cell-Architektur die Anzahl der Layer auf der Oberseite des Display-Stacks. Sensor-Panel-Zulieferer sowieein  Sensor-Laminierungsprozess sind damit nicht mehr erforderlich. Tier-1-Zulieferer beziehungsweise OEM-Hersteller können so ein voll integriertes Touch- und Display-Modul direkt vom LCD-Hersteller beziehen.

Anforderungen der Automobilindustrie erfüllen

Von der Norm CISPR25 vorgegebene Grenzwerte elektromagnetischer Störungen. Synaptics

Die mit TDDI mögliche Kombination von Touch- und Display-Technologie erfüllt alle Anforderungen der Automobilhersteller. Zum einen sorgt die Technologie für eine intuitive Benutzerbedienung. Zudem lässt sich diese problemlos in große Displays implementieren, da Kaskadierungsverfahren verschiedene Displays-Größen (zum Beispiel sieben bis 17 Zoll Bildschirmdiagonale) und Seitenverhältnisse sowie HD- und UHD-Auflösungen unterstützt werden. Eine Synchronisierungstechnologie eliminiert das Display-Rauschen. Zusätzlich sorgen Tools zur Farbabstimmung für eine konstante Optik über mehrere Displays hinweg. Die Anforderungen an Systemleistung, Komplexität und Industriedesign können mit einer einzigen Form und der Kombination von Sensor und Display-Elektroden auf Glas erfüllt werden. Darüber hinaus ermöglicht die variable Druckmessung eine zusätzliche Benutzereingabeoption und neue UI-Funktionen.

Kapazitive Touch-Sensoren sind zudem in der Lage, Displays mit einer akustischen Rückmeldung zu versehen. TDDI-Lösungen für die Automobilindustrie sind so konzipiert, dass sie die strengen Anforderungen an elektromagnetische Störungen erfüllen, die von einem Display mit integriertem Touch-Sensor abgestrahlt werden (ISO 11452). Elektromagnetische Störungen, die von Hochfrequenzquellen in den Touch-Sensor eingeleitet werden, liegen ebenfalls innerhalb der Grenzwerte der entsprechenden Norm (CISPR25).

Durch das Yield-Management bei der Display-Herstellung und die Erkennung von LCD-Fehlern bei der LCD-Produktion sowie während des Fahrzeuglebenszyklus werden zusätzliche Qualitätsanforderungen berücksichtigt. Im Vergleich zu mehreren diskreten ICs sinken die Kosten bei dieser Technik um zehn bis 15 US-Dollar pro Fahrzeug. Aktuell stellen 13 der führenden Automobil-OEM-Hersteller auf TDDI um.

Optische Klarheit und leuchtende Farben

Eines der Hauptziele bei integrierten Lösungen für Touchscreens im Fahrzeuginneren ist die Verbesserung der Benutzererfahrung. Das bezieht sich auf lebendige und konsistente Farben sowie eine hohe optische Klarheit in jeder Betrachtungssituation.

Wichtige Aspekte sind hierbei unter anderem:

• Das Entfernen des externen Sensor-Panels führt zu einer höheren optischen Display-Klarheit, da die Touch-Sensor-Elektroden für das Auge nicht wahrnehmbar sind.
• Durch einen diskreten Sensor wird ein Übertragungsverlust von bis zu 10 % eliminiert.
• Reflexionen von zusätzlichen Layern mit einem diskreten Sensor und dem Kleber entfallen.
• Die Local Area Auto Contrast Optimization (LAACO) ermöglicht eine umgebungsabhängige Kontraststeuerung, um helle und dunkle Bereiche eines Bildes gleichzeitig zu optimieren.
• Sunlight Readability Enhancement (SRE) verbessert die Lesbarkeit bei hellem Sonnenlicht mit automatischer Gamma-Anpassung und sorgt so für einen höheren Kontrast und optimale Betrachtung.
• Unabhängige Weißpunkte stellen Farbtöne (RGBCMY) und Weißpunkte eigenständig ein und erzeugen so lebendige Bilder bei verschiedenen Anzeigevarianten.
• Ein kompletter Farbbereich (mit bis zu einer Milliarde oder mehr Farben) wird unterstützt. Synaptics-Displays liefern zum Beispiel sehr weiche, natürliche Farbtöne auf dem gesamten Display und erzeugen intensive Farbtöne.

Funktionsweise: AMP zur Integration von Touch- und Display-Treibern

Bei TDDI ist ein vollständiger, kapazitiver In-Cell-Touch-Sensor in die bestehende LCD-Struktur und in die Fertigungstechnologie integriert. Zusätzliche Layer sind nicht erforderlich. Eine vollständig integrierte In-Cell-Architektur wie AMP (Advanced Matrix Pad) ermöglicht die Kapazitätssensorik. Weitere Layer müssen zu einem standardmäßigen Weitwinkel-Display-Stack nicht hinzugefügt werden. Gewöhnlich ist die VCOM-Elektrode eines LCD-Panels in ein Array separater Touch-Elektroden integriert. Die vollständig in die Zelle integrierte Sensorik lässt sich in zahlreichen Prozessen (zum Beispiel Si, LTPS und IGZO) bei hohen Display-Auflösungen wie FHD oder QHD auch mit TFT-Gates erreichen. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, die Einschränkungen durch zusätzliche kapazitive Touch-Layer, Verbindungen und Anschlüsse zu beseitigen.

Mit ASICs können zusätzliche Funktionen hinzugefügt werden.Dadurch lassen sich die Ausgänge des Quelltreibers und des analogen Touch-Controllers im gleichen COG/COF (Chip-On Glas/Flex) sowie die Kombination von TCON- und Touch-Controller im selben TDDI-Gehäuse kombinieren.

Die Integration der Druckmessung in Displays bei In-Cell-Systemen macht zusätzliche Komponenten und Layer überflüssig und unterstützt so selbst äußerst dünne Industriedesigns. Allerdings gibt es Herausforderungen hinsichtlich der erforderlichen Montagetoleranzen. Verformung und Biegung von Display-Panel und Linse relativ zum Rahmen müssen genau bemessen werden.

Durch AMP erreicht TDDI alle Vorteile des In-Cell-Systems und bietet zusätzlich noch das nach Angaben von Synaptics höchste Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei Touch-Displays im Vergleich zu anderen In-Cell-, On-Cell- und diskreten Sensortechnologien. Zudem liegt die AMP-Bandbreite bei Touch-Sensoren mit sehr guter Interferenzfilterung normalerweise zwischen 100 und 200 kHz. Gleichzeitig benötigt AMP nur einen Bruchteil der Bildwiederholrate für die Touch-Sensorik (zum Beispiel 5 % pro vollständigem Scan des gesamten Sensors).

Die Implementierung von AMP in das LCD-TFT stört den regulären LCD-Herstellungsprozess am wenigsten, weil einerseitsauf dem TFT keine Jumper benötigt werden, zudem für die Touch-Elektroden kein Material mit geringem Widerstand benötigt wird und gleichzeitig der Metall-Routing-Prozess mit dem von LCD-Quell-Zeilen identisch ist.

Die AMP-Struktur minimiert die kapazitive Kopplung jeder einzelnen Elektrode, weil das Display in mehrere hundert Bestandteile gegliedert ist. Dadurch verringert sich sowohl der dynamische Interferenzbereich, der an eine einzelne AFE gekoppelt ist, als auch die gesamte Panel-Kapazitätskopplung jeder Elektrode auf ein handhabbares Niveau.

Es gibt mehrere technologische Vorteile bei der Skalierung der kapazitiven Sensormessungen und der Display-Auflösung. Bei höheren Auflösungen mit mehr Display-Zeilen, die durch Einschwingzeiten stärker eingeschränkt sind, haben sowohl die Sensorelektroden als auch die Display-Elemente den Vorteil von Hochleistungs-Panels mit niedriger Kapazität. Es besteht auch ein Zusammenhang zwischen der Zunahme der Treiber für hochauflösende Panel-Quellen und der Zunahme der verfügbaren Elektrodenverbindungen sowie der proportionalen Menge an Silizium, die für die Hochleistungs-Touch-Sensorik zur Verfügung steht. Häufig ist der Bedarf an höheren Auflösungen und höherer Touch-Performance denen von hochwertigen und größeren Displays ähnlich.

Weitere Designvorteile ergeben sich aus der Integration des kapazitiven Sensors in das Display. Es lassen sich nicht nur externe ICs, flexible Verbindungen und Anschlüsse aus dem System eliminieren; vielmehr verbessert sich auch der Sensorumriss selbst. Diskrete Sensoren müssen außerhalb des Display-Bereichs geführt werden, um Elektroden anzuschließen, die nur teilweise transparent sind und dabei separate Laminierungskleber und -dicken im Rahmen der Montage erfordern. Ein integriertes Display kann heller, dünner, mit einer schmaleren Einfassung und ohne zusätzliche Anschlüsse sein – und das alles bei sehr hoher Touch- und Display-Performance.

Erkennung von Defekten

Um die Kosten zu senken und den Fehlererkennungsaufwand bei der Herstellung sowie während der Fahrzeuglebensdauer zu minimieren, benötigt TDDI eine integrierte Funktion, die LCDs mit einem defekten AMP-Touch-Sensor frühzeitig im Modulmontageprozess erkennt. Beispiele für LCD-Fehler bei der Herstellung sind Kurzschlüsse zwischen AMP-Elektroden, Risse in der Verbindungsführung auf dem TFT und eine unvollständige oder verunreinigte Kontaktierung zwischen TDDI und Kontakten auf dem TFT-Glas oder einer TFT-Folie.

Mithilfe von TDDI-Detektoren können Ingenieure defekte LCDs auf der Grundlage präziser Kriterien für die Touch-Performance (im Sinne eines erforderlichen Grenzwerts für einen Positionierungsfehler) oder auf physikalischer Ebene (im Sinne von Grenzwerten für den Widerstand eines Kurzschlusses oder eines Panels) erkennen und zurückweisen.

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