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Einführung in das technische Prinzip des Touchscreens
May 12, 2017

Es gibt eine Vielzahl von Touchscreen-Technologien mit verschiedenen Methoden der Sensing Touch.

Resistiv

Eine resistive Touchscreen-Platte besteht aus mehreren Schichten, von denen die wichtigsten zwei dünne, transparente, elektrisch resistive Schichten sind, die durch einen dünnen Raum getrennt sind. Diese Schichten liegen einander mit einer dünnen Lücke zwischen. Der obere Bildschirm (der Bildschirm, der berührt wird) hat eine Beschichtung auf der Unterseite des Bildschirms. Unmittelbar darunter befindet sich eine ähnliche resistive Schicht auf dem Substrat. Eine Schicht hat leitende Verbindungen entlang ihrer Seiten, die andere oben und unten. Eine Spannung wird auf eine Schicht angelegt und von der anderen wahrgenommen. Wenn ein Objekt, wie z. B. eine Fingerspitze oder Stylusspitze, auf die äußere Oberfläche drückt, berühren sich die beiden Schichten an diesem Punkt: Das Panel verhält sich dann wie ein Paar von Spannungsteilern, eine Achse zu einer Zeit. Durch schnelles Umschalten zwischen jeder Schicht kann die Position eines Drucks auf dem Bildschirm gelesen werden.


Resistive Touch wird in Restaurants, Fabriken und Krankenhäusern aufgrund seiner hohen Beständigkeit gegen Flüssigkeiten und Verunreinigungen verwendet. Ein großer Vorteil der resistiven Touch-Technologie ist seine niedrigen Kosten. Darüber hinaus, da nur genügend Druck erforderlich ist, um die Berührung zu erfassen, können sie mit Handschuhen verwendet werden, oder indem sie etwas starres als Finger- / Stylus-Ersatz verwenden. Nachteile sind die Notwendigkeit, nach unten zu drücken, und ein Risiko von Schäden durch scharfe Gegenstände. Resistive Touchscreens leiden auch unter schlechterem Kontrast, da zusätzliche Reflexionen aus den zusätzlichen Materialschichten (getrennt durch einen Luftspalt) über dem Bildschirm angeordnet sind. Dies ist die Art von Touchscreen von Nintendo in der DS-Familie, die 3DS-Familie und die Wii U GamePad verwendet.


Akustische Oberflächenwelle

Surface acoustic wave (SAW) -Technologie verwendet Ultraschallwellen, die über das Touchscreen-Panel laufen. Wenn das Paneel berührt wird, wird ein Teil der Welle absorbiert. Diese Änderung der Ultraschallwellen registriert die Position des Berührungsereignisses und sendet diese Informationen zur Verarbeitung an die Steuerung. Oberflächen-Akustikwellen-Touchscreen-Panels können durch äußere Elemente beschädigt werden. Verunreinigungen auf der Oberfläche können auch die Funktionalität des Touchscreens beeinträchtigen.


Kapazitiv

Eine kapazitive Touchscreen-Platte besteht aus einem Isolator wie Glas, beschichtet mit einem transparenten Leiter wie Indium Zinnoxid (ITO). Da der menschliche Körper auch ein elektrischer Leiter ist, berührt die Oberfläche des Bildschirms eine Verzerrung des elektrostatischen Feldes des Bildschirms, die als Kapazitätsänderung messbar ist. Verschiedene Technologien können verwendet werden, um den Ort der Berührung zu bestimmen. Der Standort wird dann zur Verarbeitung an die Steuerung gesendet.


Im Gegensatz zu einem resistiven Touchscreen kann man keinen kapazitiven Touchscreen durch die meisten Arten von elektrisch isolierendem Material wie Handschuhe verwenden. Dieser Nachteil wirkt sich vor allem auf die Usability in der Unterhaltungselektronik aus, wie zB Touch Tablet-PCs und kapazitive Smartphones bei kaltem Wetter. Es kann mit einem speziellen kapazitiven Stylus oder einem Spezial-Handschuh mit einem gestickten Patch aus leitendem Faden, der durch ihn hindurchgeht, überwinden und die Fingerspitze des Benutzers kontaktieren.


Die größten kapazitiven Displayhersteller entwickeln weiterhin dünnere und präzisere Touchscreens, mit Touchscreens für mobile Geräte, die jetzt mit einer "in-cell" -Technologie hergestellt werden, die eine Schicht, wie z. B. Samsung Super AMOLED-Bildschirme, durch den Aufbau der Kondensatoren im Display selbst eliminiert. Diese Art von Touchscreen reduziert den sichtbaren Abstand (innerhalb von Millimetern) zwischen dem Finger des Benutzers und dem, was der Benutzer auf dem Bildschirm berührt, wodurch ein direkterer Kontakt mit dem angezeigten Inhalt erzeugt wird und Tapeten und Gesten mehr ansprechbar sind.


Ein einfacher Parallelplattenkondensator weist zwei Leiter auf, die durch eine dielektrische Schicht getrennt sind. Der Großteil der Energie in diesem System konzentriert sich direkt zwischen den Platten. Ein Teil der Energie verschüttet in den Bereich außerhalb der Platten, und die elektrischen Feldlinien, die mit diesem Effekt verbunden sind, werden Fransenfelder genannt. Ein Teil der Herausforderung, einen praktischen kapazitiven Sensor zu machen, besteht darin, einen Satz von gedruckten Leiterbahnen zu entwerfen, die Fransenfelder in einen für einen Benutzer zugänglichen aktiven Erfassungsbereich bringen. Ein Parallelplattenkondensator ist keine gute Wahl für ein solches Sensormuster. Die Platzierung eines Fingers in der Nähe von Fransen von elektrischen Feldern fügt leitende Oberfläche zu dem kapazitiven System. Die zusätzliche Ladungsspeicherkapazität, die durch den Finger hinzugefügt wird, wird als Fingerkapazität CF bezeichnet. Die Kapazität des Sensors ohne Finger ist in diesem Artikel als CP bezeichnet, der für parasitäre Kapazitäten steht.


Oberflächenkapazität

Bei dieser Grundtechnologie wird nur eine Seite des Isolators mit einer leitfähigen Schicht beschichtet. Eine kleine Spannung wird an die Schicht angelegt, was zu einem gleichmäßigen elektrostatischen Feld führt. Wenn ein Leiter, wie ein menschlicher Finger, die unbeschichtete Oberfläche berührt, wird ein Kondensator dynamisch gebildet. Der Regler des Sensors kann den Ort der Berührung indirekt aus der Kapazitätsänderung bestimmen, gemessen an den vier Ecken des Paneels. Da es keine beweglichen Teile hat, ist es mäßig haltbar, hat aber eine begrenzte Auflösung, ist anfällig für falsche Signale von parasitären kapazitiven Kopplung und benötigt eine Kalibrierung während der Herstellung. Es wird daher am häufigsten in einfachen Anwendungen wie industrielle Steuerungen und Kioske verwendet.


Projizierte Kapazität


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Schema des projizierten kapazitiven Touchscreens


Projizierte kapazitive Touch (PCT, auch PCAP) Technologie ist eine Variante der kapazitiven Touch-Technologie. Alle PCT-Touchscreens bestehen aus einer Matrix aus Reihen und Spalten aus leitfähigem Material, die auf Glasscheiben geschichtet sind. Dies kann entweder durch Ätzen einer einzelnen leitfähigen Schicht erfolgen, um ein Gittermuster von Elektroden zu bilden, oder durch Ätzen von zwei getrennten, senkrechten Schichten aus leitfähigem Material mit parallelen Linien oder Spuren, um ein Gitter zu bilden. Die an dieses Gitter angelegte Spannung erzeugt ein gleichmäßiges elektrostatisches Feld, das gemessen werden kann. Wenn ein leitfähiges Objekt, wie ein Finger, mit einer PCT-Platte in Berührung kommt, verzerrt es das lokale elektrostatische Feld an diesem Punkt. Dies ist als Kapazitätsänderung messbar. Wenn ein Finger die Lücke zwischen zwei der "Spuren" überbrückt, wird das Ladefeld weiter unterbrochen und vom Regler erkannt. Die Kapazität kann an jedem einzelnen Punkt am Gitter (Kreuzung) geändert und gemessen werden. Daher ist dieses System in der Lage, Berührungen genau zu verfolgen. Durch die oberste Schicht eines PCT, das Glas ist, ist es eine robustere Lösung als weniger kostspielige resistive Touch-Technologie. Darüber hinaus ist es im Gegensatz zu herkömmlichen kapazitiven Touch-Technologie möglich, dass ein PCT-System einen passiven Stylus oder behandschuhte Finger spürt. Allerdings kann Feuchtigkeit auf der Oberfläche des Paneels, hoher Feuchtigkeit oder gesammelter Staub die Leistung eines PCT-Systems stören. Es gibt zwei Arten von PCT: gegenseitige Kapazität und Selbstkapazität.


Gegenseitige kapazität

Dies ist ein gängiger PCT-Ansatz, der von der Tatsache Gebrauch macht, dass die meisten leitfähigen Objekte in der Lage sind, eine Ladung zu halten, wenn sie sehr eng beieinander sind. Bei gegenseitigen kapazitiven Sensoren wird ein Kondensator inhärent durch die Zeilenspur und Spaltenspur an jedem Schnittpunkt des Gitters gebildet. Ein 16-by-14-Array hätte zum Beispiel 224 unabhängige Kondensatoren. Eine Spannung wird an die Zeilen oder Spalten angelegt. Wenn man einen Finger oder einen leitfähigen Stift in die Nähe der Oberfläche des Sensors bringt, ändert sich das lokale elektrostatische Feld, das die gegenseitige Kapazität reduziert. Die Kapazitätsänderung an jedem einzelnen Punkt auf dem Gitter kann gemessen werden, um die Berührungsstelle genau zu bestimmen, indem die Spannung in der anderen Achse gemessen wird. Gegenseitige Kapazität ermöglicht Multi-Touch-Betrieb, wo mehrere Finger, Palmen oder Stifte gleichzeitig genau verfolgt werden können.


Selbstkapazität

Selbstkapazitätssensoren können das gleiche XY-Gitter wie wechselseitige Kapazitätssensoren haben, aber die Spalten und Reihen arbeiten unabhängig voneinander. Bei Eigenkapazität wird die kapazitive Belastung eines Fingers an jeder Säulen- oder Zeilenelektrode durch einen Stromzähler gemessen. Diese Methode erzeugt ein stärkeres Signal als die gegenseitige Kapazität, aber es ist nicht in der Lage, genau mehr als einen Finger zu lösen, was zu "Ghosting" oder verlagerter Ortserfassung führt.


Verwendung von Styli auf kapazitiven Bildschirmen

Kapazitive Touchscreens müssen nicht unbedingt mit einem Finger bedient werden, aber bis vor kurzem konnte der spezielle Styli ziemlich teuer sein. Die Kosten dieser Technologie sind in den letzten Jahren stark zurückgegangen, und kapazitive Styli sind mittlerweile weitgehend für eine Nenngebühr verfügbar und werden oft mit mobilen Zubehörteilen versendet.


Infrarotraster


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Infrarot-Sensoren, die um das Display montiert sind, sehen auf dem PLATO V-Terminal im Jahr 1981 auf den Touchscreen-Eingang eines Benutzers. Das charakteristische Orangen-Glühen des monochromatischen Plasma-Displays ist dargestellt.


Ein Infrarot-Touchscreen verwendet ein Array von XY Infrarot-LED und Photodetektor-Paaren um die Kanten des Bildschirms, um eine Störung im Muster von LED-Strahlen zu detektieren. Diese LED-Strahlen kreuzen sich in vertikalen und horizontalen Mustern. Dies hilft den Sensoren, die genaue Lage der Berührung aufzunehmen. Ein großer Vorteil eines solchen Systems ist, dass es im Wesentlichen jede Eingabe einschließlich eines Fingers, behandschuhten Finger, Stift oder Stift zu erkennen. Es wird allgemein in Außenanwendungen und Point-of-Sale-Systemen verwendet, die sich nicht auf einen Dirigenten (wie einen bloßen Finger) verlassen können, um den Touchscreen zu aktivieren. Im Gegensatz zu kapazitiven Touchscreens benötigen Infrarot-Touchscreens keine Musterung auf dem Glas, was die Haltbarkeit und die optische Klarheit des Gesamtsystems erhöht. Infrarot-Touchscreens sind empfindlich gegen Schmutz / Staub, die die IR-Strahlen stören können und unter Parallaxe in gekrümmten Flächen und versehentlicher Presse leiden, wenn der Benutzer seinen Finger über den Bildschirm schwebt, während er nach dem zu selektierenden Element sucht.


Infrarot-Acryl-Projektion

Ein lichtdurchlässiges Acrylblatt wird als Rückprojektionsschirm verwendet, um Informationen anzuzeigen. Die Kanten des Acrylbogens werden durch Infrarot-LEDs beleuchtet und Infrarotkameras werden auf die Rückseite des Blattes fokussiert. Gegenstände, die auf dem Blatt platziert werden, sind von den Kameras erkennbar. Wenn das Blatt vom Benutzer berührt wird, führt die Verformung zu einer Leckage von Infrarotlicht, das an den Stellen des maximalen Drucks anspricht, was die Berührungsstelle des Benutzers anzeigt. Die PixelSense-Tabellen von Microsoft verwenden diese Technologie.


Optische Bildgebung

Optische Touchscreens sind eine relativ moderne Entwicklung in der Touchscreen-Technologie, bei der zwei oder mehr Bildsensoren um die Kanten (meist die Ecken) des Bildschirms platziert werden. Infrarot-Rückleuchten befinden sich im Sichtfeld der Kamera auf der anderen Seite des Bildschirms. Eine Berührung zeigt sich als Schatten, und jedes Paar von Kameras kann dann gefunden werden, um die Berührung zu lokalisieren oder sogar die Größe des berührenden Objekts zu messen (siehe visueller Rumpf). Diese Technologie wächst aufgrund ihrer Skalierbarkeit, Vielseitigkeit und Erschwinglichkeit, vor allem bei größeren Einheiten, in der Beliebtheit.


Dispersive Signaltechnik

Eingeführt in 2002, von 3M, dieses System verwendet Sensoren, um die Piezoelektrizität im Glas, die aufgrund einer Berührung auftritt zu erkennen. Komplexe Algorithmen interpretieren diese Informationen dann und geben den tatsächlichen Ort der Berührung an. [35] Die Technik behauptet, von Staub und anderen äußeren Elementen, einschließlich Kratzern, nicht betroffen zu sein. Da es keine zusätzlichen Elemente auf dem Bildschirm gibt, behauptet es auch, eine hervorragende optische Klarheit zu bieten. Auch da mechanische Vibrationen verwendet werden, um ein Berührungsereignis zu detektieren, kann jedes Objekt verwendet werden, um diese Ereignisse, einschließlich Finger und Stylus, zu erzeugen. Ein Nachteil ist, dass nach der ersten Berührung das System keinen bewegungslosen Finger erkennen kann.


Akustische Impulserkennung

Der Schlüssel zu dieser Technologie ist, dass eine Berührung an einer beliebigen Position auf der Oberfläche eine Schallwelle im Substrat erzeugt, die dann einen einzigartigen kombinierten Klang erzeugt, nachdem sie von drei oder mehr winzigen Wandlern, die an den Kanten des Touchscreens befestigt sind, aufgenommen werden. Der Ton wird dann vom Regler digitalisiert und mit einer Liste der vorab aufgezeichneten Sounds für jede Position auf der Oberfläche verglichen. Die Cursorposition wird sofort auf die Berührungsstelle aktualisiert. Eine bewegte Berührung wird durch eine schnelle Wiederholung dieses Prozesses verfolgt. Extraneous und Ambient Sounds werden ignoriert, da sie nicht mit einem gespeicherten Sound-Profil übereinstimmen. Die Technologie unterscheidet sich von anderen Versuchen, die Position der Berührung mit Wandlern oder Mikrofonen zu erkennen, indem sie eine einfache Tabellennachschlagemethode verwendet, anstatt eine leistungsfähige und teure Signalverarbeitungshardware zu erfordern, um zu versuchen, den Berührungsort ohne irgendwelche Referenzen zu berechnen. Wie bei dem dispersiven Signaltechnik-System kann nach der ersten Berührung kein bewegungsloser Finger erkannt werden. Aus dem gleichen Grund wird die Berührungserkennung jedoch nicht durch irgendwelche Ruheobjekte gestört. Die Technologie wurde von SoundTouch Ltd in den frühen 2000er Jahren, wie von der Patentfamilie EP1852772 beschrieben, erstellt und von Tyco International im Geschäftsbereich Elo 2006 als Acoustic Pulse Recognition eingeführt. Der von Elo verwendete Touchscreen ist aus gewöhnlichem Glas gefertigt und bietet eine gute Haltbarkeit und optische Klarheit. APR ist in der Regel in der Lage, mit Kratzern und Staub auf dem Bildschirm mit guter Genauigkeit zu funktionieren. Die Technologie eignet sich auch gut für korrespondierende Displays.