Wie ist ein kostengünstiges Touch-Control-System konzipiert?

Kapazitive Touchscreens gelten längst nicht mehr als Neuheit. Mit der Auslieferung von Millionen von Smartphones und Tablets nimmt ihre Akzeptanz zu. Jetzt, da sie jedoch weit verbreitet sind, sind die Menschen weniger bereit, einen höheren Preis für die Technologie zu zahlen.

Um in diesem wettbewerbsintensiven Umfeld Gewinnmargen zu halten, müssen OEMs die Gerätekosten senken, und das Touchscreen-Modul ist eine der teuersten Komponenten von Touchscreen-betriebenen Geräten. Entwickler können die Systemkosten senken, indem sie geeignete Schaltschrankaufbauten und -muster, Displays, Materialien, Routing und Controller verwenden.

1. Abdeckscheibe und Touchscreen-Sensor

Ein Standard-Touchscreen-System besteht aus einem projizierten kapazitiven Touchscreen-Sensor, der auf eine schützende Deckscheibe laminiert ist, einer gebondeten flexiblen gedruckten Schaltung (FPC), an der der Touchscreen-Controller befestigt ist, und einem Display. Der FPC verbindet den Touchscreen-Controller mit dem Host-Prozessor. Das Display sitzt unter dem Touchscreen-Sensor und ist in der Regel durch einen Luftspalt getrennt oder direkt laminiert.

Ein kapazitives Standard-Touchscreen-System besteht aus einem projizierten kapazitiven Touchscreen-Sensor, der auf eine schützende Deckscheibe laminiert ist, einem verklebten FPC, an dem der Touchscreen-Controller befestigt ist, und einem Display.

Die Abdecklinse ist die oberste physikalische Schicht des Touchscreen-Systems. Die Kosten variieren stark je nach verwendetem Material (Glas oder Polymethylmethacrylat oder PMMA), speziellen Beschichtungen (oleophob, hydrophob), dekorativer Tinte und der Anzahl der Bohrungen für Kameras oder Sensoren. PMMA, eine kostengünstigere, leichtere und bruchsichere Alternative zu haltbarerem und optisch durchlässigerem Glas, kann die Kosten um bis zu 50 % senken.

PMMA-Sensoren können jedoch eine verminderte Signalempfindlichkeit aufweisen. PMMA ist auch flexibler als Glas, was dazu führen kann, dass sich die Platte verbiegt, wenn ein Finger oder ein anderer Gegenstand mit erheblicher Kraft nach unten drückt. Das Verbiegen der Platte kann zu fehlerhaften und ungenauen Berührungsberichten führen. Ein Glassubstrat oder eine zusätzliche Abschirmschicht im Touchscreen-Sensor kann jedoch ein Verbiegen der Platte verhindern. Daher muss das Material der Abdeckscheibe beim Stapeln von Touchscreen-Sensoren sorgfältig behandelt werden.

2. Moderne Touch-Waren verwenden eine Vielzahl von Sensorstapeln Touchscreen-Sensoren

haben komplexe Architekturen. Sie werden hergestellt, indem Indiumzinnoxid (ITO) auf ein Glas- oder PET-Substrat gesputtert und dann ein proprietäres Design in das ITO geätzt wird. Die Muster und Strukturen jeder Sensorschicht sind spezifisch für die Designanforderungen des Systems.

Standard-Touchscreen-Designs verwenden häufig zweischichtige ITO-Touchscreen-Sensoren, wie z. B. die in Abbildung 2 gezeigten MH3- und Diamantsensoren, um eine hohe Genauigkeit, Linearität und Multi-Touch-Leistung zu gewährleisten. Zu den Substraten, die in zweischichtigen Sensordesigns verwendet werden, gehören Glas und Polyethylenterephthalat (PET). PET ist kostengünstiger und bietet eine überlegene Immunität gegen Displayrauschen, führt jedoch zu einer geringfügigen Verringerung der optischen Klarheit. Letztendlich besteht der effizienteste Weg, die Preise für Touchscreen-Sensoren zu senken, darin, die Anzahl der Stapelschichten zu begrenzen.

Durch den Einbau von Single-Layer-Sensoren können Systementwickler die Sensorpreise um bis zu 50 % senken. Weniger Schichten – Substrat, ITO und optisch klarer Klebstoff (OCA) – helfen Anbietern von Touch-Panels, Material- und Werkzeugkosten zu senken. Die Verarbeitung von weniger Schichten erhöht auch die Produktionsausbeute. Kostengünstige einschichtige Touchscreens werden aus einem einzigen PET-Substrat mit einem vereinfachten proprietären Muster hergestellt, das eine gute optische Durchlässigkeit aufweist.

Einschichtige Sensoren weisen eine geringere Genauigkeit und Linearität sowie eine begrenzte Anzahl unterstützter Fingerberührungen auf. Diese kostengünstigen Single-Layer-Sensorsysteme eignen sich hervorragend für Einsteiger-Smartphones und Feature-Phones.

Systemdesigner, die bisher resistive Touchscreens oder keine Touchscreens verwendet haben, finden diese Stapeloption möglicherweise ideal für ihre Design- und Budgetanforderungen. Einschichtige kapazitive Touchscreens haben mehrere Vorteile gegenüber resistiven Touchscreens, darunter überlegene optische Klarheit, geringerer Stromverbrauch, erhöhte Langlebigkeit und ein besseres Benutzererlebnis.

Single-Layer-Multi-Touch-Technologien, wie z. B. SLIM (Single-Layer Independent Multi-touch) von Cypress, können bis zu 40 % der Kosten für Dual-Layer-Sensoren einsparen. Einschichtige Sensoren bieten eine deutlich geringere Leistung, zeichnen sich aber durch die Aufnahme kleinster Formfaktoren aus. Einschichtige Multi-Touch-Sensoren können auch Touchscreen-Sensoren mit dünnem Rand oder randlose Bildschirme ermöglichen, wodurch sich der aktive Bereich des Touchscreens ausdehnen kann. Entwickler, die sowohl die Kosten als auch die Dicke reduzieren möchten, können Einschichtsensoren untersuchen.

Kleinere Bildschirmgrößen sind weitaus kostengünstiger. Die Größe des aktiven Bereichs wirkt sich auf die Kosten für den Touchscreen aus. Systemdesigner müssen alle Optionen zur Optimierung des Schaltschrankdesigns und der Schaltschrankauswahl bewerten.

3. FPC-Design

Eine weitere Möglichkeit, die Gerätekosten zu senken, ist das FPC-Design. Der FPC verbindet den sensorischen Ein-/Ausgang (I/O) des Touchscreen-Panels mit dem Touchscreen-Controller, der wiederum mit dem Host-Prozessor verbunden ist.

FPCs können aktiv oder passiv sein. Bei aktiven FPCs befinden sich der Touchscreen-Controller und alle anderen externen Komponenten, wie z. B. Widerstände und Kondensatoren, auf dem FPC selbst. Passive FPCs enthalten einfache Routing-Linien und einen Touchscreen-Controller, wobei externe Komponenten auf einer Leiterplatte (PCB) installiert sind.

Ob aktiv oder passiv, FPCs können auf verschiedene Arten geroutet werden. Die Effizienz und Vielseitigkeit der Routine erleichtern die Integration anderer Hardwarekomponenten. Beachten Sie jedoch, dass die Anzahl der Routing-Ebenen die Kosten erhöht. Ein durchdachtes Routing auf einer einzigen Schicht trägt dazu bei, die FPC-Kosten zu senken. Single-Layer-Routing bietet erhebliche Vorteile für die Signalintegrität und die kompakte FPC-Architektur.

4. Anzeigen

In einem Touchscreen-System befindet sich der projizierte kapazitive Touchscreen-Sensor oben auf dem Display. Displays sind von Natur aus verrauscht, daher kann das Display-Rauschen direkt mit dem Touchscreen-Sensor gekoppelt werden. Dies verringert die Berührungsempfindlichkeit und führt zu einer fehlerhaften Berührungsaktivierung. Gute Designentscheidungen können dazu beitragen, das Rauschen des Displays zu reduzieren und gleichzeitig die Leistung und Kosteneffizienz zu verbessern. Verwandtes Produkt: 10,1 Zoll PCAP-kapazitiver Touchscreen.

Displays sind von Natur aus laut. Geräusche von Displays können kapazitiv mit Touchscreens gekoppelt werden, wodurch die Touch-Leistung verringert wird.

Um das Rauschen des Displays zu reduzieren, hat die Industrie in der Vergangenheit eine ITO-"Abschirmschicht" zwischen dem Display und dem Touchscreen-Sensor angebracht. Obwohl die Abschirmschicht effektiv ist, erhöht sie die Kosten und die Dicke des Touchscreen-Moduls. Um das Display vom Touchscreen-Sensor zu isolieren, besteht eine weitere Möglichkeit darin, einen kleinen Luftspalt zu verwenden, oft zwischen 0,2 mm und 0,5 mm.

Ein Luftspalt ist kostengünstiger als eine Abschirmschicht, aber er vergrößert die Breite des Touchscreen-Moduls, was bei OEMs, die schlankere, dünnere Handys herstellen wollen, immer unbeliebter wird. Die Wahl des Displays ist eine wichtigere Designüberlegung.

Dünnschichttransistor-LCDs (TFT) sind auch heute noch die beliebtesten Displays für Mobiltelefone und Tablets und in zwei Varianten erhältlich: Gleichspannung (DCVCOM) und gemeinsame Spannung (ACVCOM). Der Unterschied besteht in dem Mechanismus zum Antrieb der gemeinsamen Elektrodenschicht (VCOM). Organische Aktivmatrix-LED-Displays (AMOLED) werden dank ihrer weiten Betrachtungswinkel, verbesserten Helligkeit und Kontrast, geringerer Energieaufnahme und reduzierter Dicke auch in High-End-Geräten immer beliebter.

AMOLEDs haben ein sehr geringes Displayrauschen und gehören zu den leisesten Bildschirmen, sind aber teuer.

DCVCOM-Displays sind außerdem oft leise und teuer. ACVCOM hingegen erzeugt viel Lärm und bleibt dabei sehr preiswert. Die Wahl des Displays wird stark von der beabsichtigten Verwendung des Geräts durch den Endbenutzer beeinflusst. Die Zielanwendung bestimmt die Hardware und Leistung, die für ihre Clients geeignet sind.

5. Touchscreen-Controller

Obwohl der Touchscreen-Controller kostengünstiger ist als das Display oder das Touchscreen-Panel, hat er den größten Einfluss auf die Leistung des Touchscreen-Systems. Der Touchscreen-Controller verwendet kapazitive Sensor- und Verarbeitungstechnologie, um Fingerberührungen und -bewegungen zu erkennen und deren Position und Verhalten an die Host-CPU zu übermitteln.

Wenn ein Finger auf einen projizierten kapazitiven Touchscreen gelegt wird, erkennt der Touchscreen-Controller die Kapazitätsänderung und übersetzt sie in digitale Werte. Diese digitale Umwandlung wird dann von den leistungsstarken Touch-Auflösungsalgorithmen des Touchscreen-Controllers verarbeitet, bevor sie mit Touch-Koordinaten und anderen erforderlichen Daten an die Host-CPU gesendet wird.

Rauschempfindliche Signale stellen ein erhebliches technisches Problem für Touchscreens dar. Controller mit hochwertigen analogen Frontends, integrierten Noise-Handling-Funktionen und komplexen Verarbeitungsalgorithmen sind erforderlich. Da die Berührung zur bevorzugten Benutzeroberfläche für viele Geräte der Unterhaltungselektronik wird, wird die Qualität der Touchscreen-Controller einen direkten Einfluss auf das Endbenutzererlebnis haben. Die Wahl des richtigen Touchscreen-Controllers ist entscheidend für die Erzielung von Leistungs- und Kostenvorteilen.

Ein Controller mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und einer guten Geräuschverarbeitung kann Signalstärkeverluste ausgleichen, die durch Rauschquellen verursacht werden, wie z. B. eine billigere PMMA-Abdecklinse oder ein verrauschtes ACVCOM-Display. Um die Leistung von kostengünstigen und Multi-Touch-Single-Layer-Sensoren zu optimieren, müssen Touchscreen-Controller kompatible Verarbeitungsalgorithmen bereitstellen. Darüber hinaus können die wirtschaftlichen Vorteile des Single-Layer-FPC-Routings nur realisiert werden, wenn die Pinbelegung des Touchscreen-Controllers ein flexibles Routing-Design unterstützt.

Touchscreen-Controller können auch die Systemkosten senken, indem sie zusätzliche Funktionen unterstützen. Zum Beispiel lesen die meisten Touchscreen-Controller Wasser auf einem Touchscreen als Fingerberührung, da ihre Kapazitätssignaturen ähnlich sind. Um dieses Problem zu lösen, können Hersteller von Touchscreen-Panels eine kostspielige Schicht aus hydrophober Beschichtung auf die Abdeckscheibe aufbringen.

Wenn Wassertropfen auf der Deckscheibe landen, hilft die Beschichtung, sie in winzige Tröpfchen zu zerlegen, um zu verhindern, dass sie als Berührungen registriert werden. Nichtsdestotrotz kann ein Touchscreen-Controller, der die Wasserabweisung über seine Hardware- und Firmware-Funktionen nativ unterstützt, Wasser auf dem Touchscreen mithilfe integrierter Algorithmen erkennen und abweisen, wodurch der OEM zusätzliche Beschichtungskosten spart.

6. Zusammenfassung

Versierte Designer, die das Touchscreen-System und seine Hauptkomponenten verstehen, können die Kosten drastisch senken, indem sie vernünftige Design- und Auswahlentscheidungen für die Deckscheibe, das Sensormaterial, den Stack-up, den Displaytyp und das FPC-Routing treffen. Ein kreativer und leistungsstarker Touchscreen-Controller kann Kosten senken, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, und so sicherstellen, dass sich das Endprodukt überhaupt verkauft.