So realisieren Sie Touch-Sensoren auch bei Segment-LC-Displays

| Autor / Redakteur: Christian Forthuber * / Margit Kuther

Touch-Sensor: Basis-Funktionen auf einen Blick
Touch-Sensor: Basis-Funktionen auf einen Blick (Bild: Yeebo)

Touch bei Segment-LCDs? Ist das notwendig und lässt sich das überhaupt ohne großen Aufwand realisieren? Dieser Beitrag informiert.

Touch bei Segment-LCDs? Beginnen wir mit der Frage der Notwendigkeit: Brauchen wir einen Touchsensor bei kleinen, monochromen LC-Displays? Grundsätzlich lässt sich diese Frage mit Ja beantworten. Im Zeitalter der Smartphones sind Benutzer daran gewöhnt und erwarten beinahe bei jeder Anzeige eine Interaktionsmöglichkeit über Touch. Also warum nicht auch bei einer kleinen einfarbigen Anzeige. Bisher extra angebrachte Tasten können entfallen, was Kosten spart. Zudem erhält das Gerät ein moderneres Aussehen und kann ansprechend gestaltet werden.

In-Cell Touch-Technologie: dünne Displays inklusive Touch

Nun zur Realisierung: Auch bei kleinen Displays kann der mittlerweile weit verbreitete projiziert-kapazitive Touchsensor zum Einsatz kommen. Das heißt im Wesentlichen, auf das Display wird ein Touchsensor – in der einfachen Variante Trägerglas mit ITO-Schicht, eventuell auch mit einem zusätzlichen Deckglas – montiert. Das Problem liegt hier aber in der Größe.

LCDs sind meist klein und haben auch nur bedingt Standardgrößen, wie sie etwa bei TFTs zu finden sind. Ein Touchsensor müsste also eigens in entsprechender Größe für das Display angefertigt werden. Es fallen Konstruktionskosten und Werkzeugkosten an, die mitunter 1000 - 2000 USD betragen können. Insgesamt also keine optimale und auch keine kosteneffektive Lösung.

Eine zweite Methode ist die sogenannte On-Cell Touch-Technologie. Dabei wird der Sensor direkt auf die LCD-Oberfläche aufgebracht und darüber ein Schutzglas gebondet. Dies ergibt eine geringe Dicke der Display-Einheit, reduziert Störungen für den Touchsensor, verhindert optische Reflexe und bietet dadurch eine ausgezeichnete Ablesbarkeit.

Die Integration für den Anwender ist einfacher und die Kosten sind niedriger – verglichen mit einer getrennten Lösung (Display + Touchsensor). Der Nachteil ist, dass die Technologie nur von wenigen Herstellern und nur für größere Bildschirmdiagonalen angeboten wird.

Variante drei ist die In-Cell Touch-Technologie. Hier liegen die für die Touchfunktion benötigten Elektroden innerhalb des Displays, also innerhalb von Trägerglas (unten) und Deckglas (oben). Diese Technologie wird verstärkt bei Smartphones verwendet und gewinnt hier sukzessive an Bedeutung. Es lassen sich so sehr dünne Displays inklusive Touch-Funktionalität bei gleichzeitig niedrigen Kosten realisieren(Bild 1; alle Bilder siehe Bildergalerie).

Tipp: Sie wollen nicht nur dünne Displays realisieren sondern Unikate schaffen? Dann lesen Sie den Beitrag: „Wie PCAP-Touch Ihr Gerät unverwechselbar macht.“

YEEBO, ein Hersteller qualitativ hochwertiger monochromer LCDs und TFTs; Vertrieb: Codico), hat die In-Cell Technologie in LCDs integriert. Der Flüssigkristall liegt zwischen zwei Polyimid(PI)-Schichten, darunter und darüber befinden sich leitfähige Indium-Zinn-Oxid(ITO) Layer, wobei die obere ITO-Schicht, die auf dem Frontglas aufgebracht ist, auch den Touch-Sensor enthält (Bild 2). Man sieht deutlich, dass sich damit sehr dünne Displays mit Touchfunktion realisieren lassen und diese auch auf Grund der relativ einfachen Herstellung kostengünstig sind.

In-Cell Touch-Sensoren arbeiten – anders als projiziert-kapazitive Touches, die elektrische Felder verwenden – mit den parasitären Kapazitäten des Flüssigkristalls. Über den Controller wird der externe Kondensator (im Display) geladen. Berührt nun ein Finger das Display, sind zwei Kondensatoren parallel geschalten. Der Touch-Controller muss nun mit dem internen Kondensator eine größere Kapazität laden und erkennt dadurch den Touch-Event. (Bild 3)

Nachdem wir es hier mit analogen Funktionen zu tun haben, muss ein grundlegender Algorithmus verwendet werden. Alle (Sensor-)Tasten haben ihre eigene Kapazität. Diese hängt von ihrer Umgebung ab und ändert sich auch mit dieser. Daher muss eine Schwelle eingeführt werden, ab der eine Taste als „gedrückt“ erkannt wird. Auch dieser Schwellenwert muss für jeden („Druck-“)Punkt individuell eingestellt werden. Wenn nun die Kapazität größer als dieser Wert ist, gilt die Taste als „gedrückt“. (Bild 4)

Touch & Display Driver ICs für Touch und Ansteuerung

Hersteller von Display-Controllern haben dieser Entwicklung Rechnung getragen und TDDI-Chips (Touch & Display Driver ICs) für diesen Einsatz entwickelt. So arbeitet YEEBO mit einem Controller von UltraChip. Das Bauteil erledigt gleichzeitig die Ansteuerung des Displays und steht auch für die Touch-Funktionalität zur Verfügung (Bild 5).

Ein serielles Interface (I²C oder SPI) überträgt die Daten zu und vom Display. Es lassen sich bis zu 160 Segmente (4 Backplanes mit je 40 Segmenten) ansteuern und bis zu 16 Tasten einbauen. Sollte bei der Anwendung ein Schutzglas notwendig sein, um etwa Vandalenschutz zu gewährleisten, wird auch das bis zu einer Dicke von 5 mm unterstützt. Bestimmte Design-Regeln müssen natürlich eingehalten werden.

Touchflächen sollten eine bestimmte Größe aufweisen, man spricht hier auch vom „Norm-Finger“ mit mindestens 8 mm Durchmesser, um eine ordentliche Funktion sicherzustellen, und die Flächen sollten einen definierten Abstand zueinander haben. Das stellt aber in der Praxis kein Problem dar.

Applikationen gibt es zahlreiche, etwa in kleinen Industriesteuerungen, Service-Displays mit Eingabemöglichkeit, Haushaltsgeräten, Raumthermostaten mit Steuerungsfunktion und Verkaufsautomaten. Mechanische Tasten werden eingespart, die Ausfallsicherheit wird erhöht (Mechanik kann kaputt gehen) und die Gesamtkosten sind niedriger.

Der Schritt vom Smartphone, für welches diese Technologie entwickelt wurde, zur industriellen Anwendung ist geglückt. Es lassen sich Touch-Sensoren ohne großen Aufwand auch bei einem Segment-LC-Display realisieren.

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* Christian Forthuber ist Mitarbeiter bei CODICO

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