Wie ist ein kostengünstigeres Touch-Control-System aufgebaut

Kapazitive Touchscreenssind zunehmend zum Mainstream geworden und nichts Neues mehr. Ihre Verbreitung nimmt weiter zu, da Geräte wie Smartphones und Tablets millionenfach verkauft werden. Doch da sie mittlerweile allgegenwärtig sind, sind die Verbraucher weniger bereit, für diese Technologie einen höheren Preis zu zahlen.

Um in diesem Wettbewerbsumfeld ihre Gewinnmargen aufrechtzuerhalten, müssen OEMs die Gerätekosten senken – und das Touchscreen-Modul ist eine der teuersten Komponenten in Touchscreen-Geräten. Durch die Verwendung der richtigen Panel-Stacks und -Muster, Displays, Materialien, Routing und Controller können Designer ihre Systemkosten senken.

Abdecklinse und Touchscreen-Sensor

Ein Standard-Touchscreen-System besteht aus einem projiziert-kapazitiven Touchscreen-Sensor, der auf eine Schutzabdeckung laminiert ist, einer aufgeklebten flexiblen Leiterplatte (FPC) mit dem darauf montierten Touchscreen-Controller und einem Display. Die FPC verbindet den Touchscreen-Controller mit dem Host-Prozessor. Das Display befindet sich unter dem Touchscreen-Sensor und ist normalerweise durch einen Luftspalt getrennt oder direkt laminiert.

1. Ein standardmäßiges kapazitives Touchscreen-System besteht aus einem projizierten kapazitiven Touchscreen-Sensor, der auf eine Schutzabdeckungslinse laminiert ist, einer verbundenen FPC mit dem darauf montierten Touchscreen-Controller und dem Display.

Die Abdecklinse ist die oberste physische Schicht des Touchscreen-Systems. Ihre Kosten können je nach Materialtyp (Glas oder Polymethylmethacrylat oder PMMA), Spezialbeschichtungen (oleophob, hydrophob), dekorativer Tinte oder Anzahl der Bohrlöcher für Kameras oder Sensoren stark variieren. PMMA, eine günstigere, leichtere und bruchfestere Alternative zur haltbareren und optisch durchlässigeren Glasoption, kann diese Kosten um bis zu 50 % senken.

PMMA-Sensoren können jedoch unter einer geringeren Signalempfindlichkeit leiden. Außerdem ist PMMA flexibler als Glas, sodass es zu Problemen mit der Plattenbiegung kommen kann, wenn ein Finger oder ein anderer Gegenstand mit erheblicher Kraft nach unten drückt. Die Plattenbiegung kann zu falschen und ungenauen Berührungsmeldungen führen. Ein Glassubstrat oder eine zusätzliche Schutzschicht im Touchscreen-Sensor kann jedoch eine Plattenbiegung verhindern. Daher muss das Material der Abdecklinse bei jedem Touchscreen-Sensor-Stack-up genau berücksichtigt werden.(Abb. 2).

2. Moderne Touch-Produkte verwenden mehrere Arten von Sensorstapeln.

Touchscreen-Sensoren sind komplexe Strukturen. Sie werden hergestellt, indem Indiumzinnoxid (ITO) auf ein Substrat aus Glas oder Polyethylenterephthalat (PET) gesprüht und dann ein proprietäres Muster in das ITO geätzt wird. Die Muster und Strukturen, aus denen jede Sensorschicht besteht, sind auf die Designanforderungen des Systems zugeschnitten.

Bei Standard-Touchscreen-Designs werden normalerweise zweischichtige ITO-Touchscreen-Sensoren wie die MH3- und Diamantsensoren in Abbildung 2 verwendet, um eine gute Genauigkeit, Linearität und Multi-Touch-Leistung zu erzielen. Zweischichtige Sensordesigns verwenden entweder Glas- oder Polyethylenterephthalat-Substrate (PET). PET ist billiger und bietet eine bessere Störfestigkeit des Displays, leidet jedoch unter einer leichten Verschlechterung der optischen Klarheit. Letztendlich ist die effektivste Methode zur Senkung der Touchscreen-Sensorkosten die Reduzierung der Anzahl der Stapelschichten.

Durch die Integration einschichtiger Sensoren können Systemdesigner die Sensorkosten um bis zu 50 % senken. Weniger Schichten – Substrat, ITO, optisch klarer Klebstoff (OCA) – helfen Herstellern von Touchpanels, Material- und Werkzeugkosten zu senken. Die Verarbeitung weniger Schichten verbessert auch die Fertigungsausbeute. Kostengünstige einschichtige Touchscreens verwenden ein einzelnes PET-Substrat mit einem vereinfachten proprietären Muster mit guter optischer Durchlässigkeit.

Aus Leistungssicht weisen einschichtige Sensoren eine geringere Genauigkeit und Linearität auf und begrenzen die Anzahl der unterstützten Fingerberührungen (normalerweise nur ein oder zwei Finger). Diese kostengünstigen einschichtigen Sensorlösungen sind ideal für Smartphones und Feature-Phones der unteren Preisklasse.

Systemdesigner, die zuvor resistive Touchscreens oder gar keine Touchscreens verwendet haben, sollten diese Stapeloption für ihre Design- und Budgetanforderungen gut geeignet finden. Im Vergleich zu resistiven Touchscreens bieten einschichtige kapazitive Touchscreens deutliche Vorteile, darunter verbesserte optische Klarheit, geringerer Stromverbrauch, längere Haltbarkeit und verbesserte Benutzerfreundlichkeit.

Single-Layer-Multi-Touch-Lösungen wie SLIM (Single-Layer Independent Multi-touch) von Cypress können die Kosten im Vergleich zu Dual-Layer-Sensoren um bis zu 40 % senken. Single-Layer-Sensoren bieten eine etwas geringere Leistung, zeichnen sich jedoch durch die Unterstützung der dünnsten Formfaktoren aus. Single-Layer-Multi-Touch-Sensoren unterstützen auch Touchscreen-Sensoren mit dünnem Rand oder ohne Rand, sodass der aktive Touchscreen-Bereich erweitert werden kann. Designer, die sowohl Kosten als auch Dicke reduzieren möchten, können Single-Layer-Sensoren als praktikable Option in Betracht ziehen.

Kleinere Bildschirmgrößen sind deutlich wirtschaftlicher. Die Größe des aktiven Bereichs wirkt sich auf die Touchscreen-Kosten aus. Systemdesigner müssen natürlich alle Möglichkeiten in Betracht ziehen, um Paneldesign und -auswahl zu optimieren.

FPC-Entwurf

Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Gerätekosten ist das FPC-Design. Das FPC verbindet einzelne Sensoreingänge/-ausgänge (I/Os) vom Touchscreen-Panel mit dem Touchscreen-Controller und vom Touchscreen-Controller mit dem Hostprozessor.

FPCs können aktiv oder passiv sein. Bei aktiven FPCs sind der Touchscreen-Controller und alle anderen erforderlichen externen Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren auf dem FPC selbst montiert. Bei passiven FPCs umfasst das FPC nur Routing-Leiterbahnen und den Touchscreen-Controller, und externe Komponenten sind auf einer Leiterplatte (PCB) montiert.

Ob aktiv oder passiv, FPCs können auf verschiedene Arten verlegt werden. Je effizienter und vielseitiger das Routing, desto einfacher ist die Integration anderer Hardwarekomponenten. Bedenken Sie jedoch, dass die Kosten mit der Anzahl der für das Routing erforderlichen Schichten steigen. Durchdachtes Routing auf einer einzigen Schicht trägt dazu bei, die FPC-Kosten zu minimieren. Einschichtiges Routing bietet außerdem erhebliche Vorteile sowohl für die Signalintegrität als auch für das kompakte FPC-Design.

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Bei einem Touchscreen-System sitzt der projizierte kapazitive Touchscreen-Sensor über dem Display. Displays sind von Natur aus laut, was dazu führen kann, dass das Displayrauschen direkt mit dem Touchscreen-Sensor gekoppelt wird.(Abb. 3). Dadurch wird die Berührungsempfindlichkeit verringert und es kommt zu Fehlbedienungen. Gute Designentscheidungen können das Anzeigerauschen verringern und sich erheblich auf Leistung und Kosten auswirken.

3. Displays sind von Natur aus laut. Displaygeräusche können sich kapazitiv mit dem Touchscreen verbinden und die Touch-Leistung beeinträchtigen.

Um Displayrauschen zu blockieren, wird in der Industrie traditionell eine zusätzliche ITO-„Abschirmschicht“ zwischen Display und Touchscreen-Sensor eingesetzt. Diese Abschirmschicht ist zwar effektiv, erhöht aber die Kosten und erhöht die Dicke des Touchscreen-Moduls. Eine Alternative besteht darin, einen winzigen Luftspalt, normalerweise zwischen {{0}},2 mm und 0,5 mm, zu verwenden, um Display und Touchscreen-Sensor zu trennen.

Ein Luftspalt ist kostengünstiger als eine Abschirmschicht, erhöht aber auch die Dicke des Touchscreen-Moduls, was für OEMs, die schlankere und dünnere Geräte bauen möchten, unerwünscht wird. Eine wichtigere Designentscheidung wird die Auswahl des Displays selbst sein.

Die derzeit beliebtesten Displays für Mobiltelefone und Tablets sind immer noch Dünnschichttransistor-LCDs (TFT), die üblicherweise in zwei Ausführungen erhältlich sind: Gleichstrom-Gemeinschaftsspannung (DCVCOM) und Wechselstrom-Gemeinschaftsspannung (ACVCOM). Der Unterschied liegt in der Methode, mit der die gemeinsame Elektrodenschicht (VCOM) angetrieben wird. Ein weiteres Display, das in High-End-Geräten immer beliebter wird, ist die organische Aktivmatrix-LED (AMOLED) mit weiten Betrachtungswinkeln, verbesserter Helligkeit und Kontrast, geringerem Stromverbrauch und reduzierter Dicke.

AMOLEDs erzeugen sehr wenig Anzeigegeräusche und gehören zu den leisesten Displays, sind jedoch teuer.

DCVCOM ist im Allgemeinen auch ein leises und teures Display. Im Gegensatz dazu ist ACVCOM zwar geräuschvoll, aber relativ günstig. Die Wahl eines Displays hängt stark davon ab, was das Gerät für den Endkunden sein soll. Die Zielanwendung bestimmt die für ihre Kunden geeignete Hardware und Leistung.

Touchscreen-Controller

Obwohl der Touchscreen-Controller nicht so teuer ist wie das Display oder das Touchscreen-Panel, hat er den größten Einfluss auf die Leistung des Touchscreen-Systems. Der Touchscreen-Controller verfügt über kapazitive Sensor- und Verarbeitungstechnologie, um Fingerberührungen und Gesten zu verarbeiten, indem er deren Position und Verhalten an den Host-Prozessor meldet.

Wenn ein Finger auf einen projizierten kapazitiven Touchscreen gelegt wird, erkennt der Touchscreen-Controller eine Änderung der Kapazität und wandelt diese Information in digitale Werte um. Diese digitale Umwandlung wird mithilfe ausgefeilter Touch-Auflösungsalgorithmen im Touchscreen-Controller weiterverarbeitet, bevor die Touch-Koordinaten und andere relevante Daten an den Host-Prozessor weitergegeben werden.

Rauschempfindliche Signale stellen bei Touchscreens eine große technische Herausforderung dar. Controller mit hochwertigen analogen Frontends, integrierten Rauschbehandlungsfunktionen und ausgefeilten Verarbeitungsalgorithmen sind unverzichtbar. Da Touch bei vielen elektronischen Verbrauchergeräten zur bevorzugten Benutzeroberfläche wird, wirkt sich die Qualität der Touchscreen-Controller direkt auf das Benutzererlebnis des Endprodukts aus. Die Wahl des richtigen Touchscreen-Controllers ist entscheidend, um Leistungs- und Kostenvorteile zu erzielen.

Ein Controller mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und effektiver Rauschunterdrückung kann die Verschlechterung der Signalstärke durch Rauschquellen wie eine billigere PMMA-Abdecklinse oder ein rauschendes ACVCOM-Display kompensieren. Um die Leistung kostengünstiger und Multi-Touch-Einschichtsensoren zu optimieren, müssen Touchscreen-Controller kompatible Verarbeitungsalgorithmen bereitstellen. Darüber hinaus können die Kostenvorteile des Einschicht-FPC-Routings nur dann realisiert werden, wenn die Pinbelegung des Touchscreen-Controllers ein flexibles Routing-Design ermöglicht.

Touchscreen-Controller können durch einige der erweiterten Funktionen, die sie unterstützen, auch die Systemkosten senken. Beispielsweise interpretieren die meisten Touchscreen-Controller Wasser auf einem Touchscreen als Fingerberührung, da die gegenseitigen Kapazitätssignaturen von Wasser und Finger ähnlich sind. Um dieses Problem zu lösen, können Touchscreen-Panel-Hersteller der Abdecklinse eine teure Schicht hydrophober Beschichtung hinzufügen.

Wenn Wassertropfen auf die Abdecklinse fallen, hilft die Beschichtung dabei, sie in kleinere Tropfen aufzubrechen, sodass sie nicht mehr als Berührungen registriert werden. Ein Touchscreen-Controller, der durch die Nutzung seiner Hardware- und Firmware-Funktionen eine native Wasserabweisung ermöglicht, kann Wasser auf der Linse erkennen und abweisen.Touch-Screenmit integrierten Algorithmen und kann dem OEM zusätzliche Beschichtungskosten ersparen.

Zusammenfassung

Erfahrene Designer, die dieTouchscreen-Systemund seine Schlüsselkomponenten können durch intelligente Entscheidungen bei Design und Auswahl der Abdecklinse, des Sensormaterials und -aufbaus, des Anzeigetyps und der FPC-Verlegung die Kosten erheblich senken. Ein innovativer und leistungsstarker Touchscreen-Controller kann Kostensenkungen ohne Leistungseinbußen erzielen, was in erster Linie den Verkauf des Endprodukts fördert.