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Berührungsfelder tragen wesentlich zur Wahrnehmung der Qualität und zur allgemeinen Benutzerfreundlichkeit eines mobilen Geräts bei. Touch-Panels sind ein primärer Bereich, über den Benutzer mit ihren mobilen Computern interagieren, und steuern dabei alles von der Navigation bis zur Eingabe. Daher können die Reaktionsfähigkeit, Empfindlichkeit und das Oberflächendesign dieser Touchpanels die Benutzererfahrung mit dem Gerät erheblich beeinflussen und damit die Wahrnehmung seiner Qualität und Benutzerfreundlichkeit. Durch anhaltende Innovation haben diese Komponenten in Bezug auf ihre Fähigkeiten und Komplexität zugenommen.
Viele Hersteller von Touchscreens engagieren sich dafür, neue Technologien zu suchen und bestehende zu verbessern. Diese Verpflichtung zielt darauf ab, die wachsenden Bedürfnisse der Kunden in neuen und innovativen Anwendungen und Umgebungen zu erfüllen.
Arten von Touchscreens
Lange vor dem Massenvertrieb von Smartphones wurde die Verwendung von Touchpanels zur Steuerung von Enterprise Digital Assistants (EDAs) populär.
Als „Touch-Panels“, „Touchscreens“ oder „Digitizers“ bezeichnet, sind diese Komponenten alle Teil der Gruppe der Sensoren, die die Position einer Eingabe in einem physischen Referenzraum in eine Eingabe in einem digitalen Raum übersetzen.
Diese Sensoren sind oft transparent und in LCD-Displays integriert, um die Touch-Benutzeroberfläche (Touch-UI) zu schaffen, die heute überall zu finden ist, von Automobilen bis hin zu Heimthermostaten. Die Arten von Berührungsbereichen, die in den heutigen Produkten vorhanden sind, können in zwei Gruppen unterteilt werden: resistiv und kapazitiv.
1. Widerstands-Touchscreens
Die Widerstandsmesstechnik für Berührungserkennung ist seit relativ langer Zeit etabliert. Diese Art von Touchscreen wird aufgrund seiner einfachen Konstruktion, seiner Langlebigkeit und seiner Umweltflexibilität häufig verwendet.
Wie der Name schon sagt, erfasst ein Widerstandstastfeld die Position, indem es die physische Kompression des Tastenfelds in Änderungen des spezifischen Widerstands umwandelt.
Design und Funktionalität von resistiven Touchpanels
Ein kapazitiver Berührungsbildschirm besteht aus zwei Folien, die durch einen Luftspalt getrennt sind. Beide Filme haben elektrisch leitfähige Oberflächen, die sich gegenüberstehen.
Jede der leitfähigen Oberflächen erfasst die Position in einer Ausrichtung; zum Beispiel kann die obere Folie die vertikale Position erfassen und die untere Folie kann die horizontale Position erfassen. Wenn eine Eingabenormalkraft auf das Touchpanel ausgeübt wird, kollabiert die obere Folie über den Luftspalt nach innen, um einen physischen Kontakt mit der unteren leitfähigen Oberfläche herzustellen.
Die resultierende elektrische Verbindung verändert den Widerstandswert sowohl an der oberen als auch an der unteren leitfähigen Oberfläche. Ein Mikrocontroller im Gerät misst diesen neuen Widerstandswert als eine Spannungsänderung, die einer neuen vertikalen und horizontalen Position entspricht. Die Messung der oberen und unteren leitfähigen Flächen erfolgt viele Male pro Sekunde, um Eingaben, wie z. B. einen Stift, zu verfolgen, wenn er über den Berührungsbildschirm bewegt wird.
Eingriffseingrenzung durch Widerstandsklopfen
Mikrorisse und mechanische Verschleiß
Da ein resistiver Berührungsbildschirm auf der physischen Bewegung der oberen Folie zur Herstellung einer elektrischen Verbindung angewiesen ist, ist diese Art von Berührungsbildschirm anfällig für mechanische Abnutzung. Dieser mechanische Verschleiß tritt auf, weil jede physische Bewegung der oberen Schicht kleine Mikrorisse in der leitfähigen Oberfläche verursacht.
Sobald diese Mikrorisse groß genug wachsen, um die elektrische Verbindung zwischen den oberen und unteren Folien zu unterbrechen, kann das Touchpanel unbedienbare Bereiche entwickeln oder an einer anderen Stelle reagieren, als die, die aktiviert wurde. Berührungsbereiche weisen diese Symptome auf, wenn sie physisch abgenutzt sind.
Mikrorisse Abhängigkeiten
Die Ursachen und der Zeitrahmen für die Bildung dieser Risse hängen von vielen Faktoren ab, darunter:
- Die Kraft, die zum Zusammendrücken der Folien verwendet wird (manchmal als Aktivierungs-Kraft bezeichnet)
- Die Temperaturbedingungen während der Kompression
Die Geometrie des Objekts, das zur Kompression der Filme verwendet wird (Stift, Finger oder anderes Objekt), wie unten beschrieben:
Eine häufige Grundursache für beschleunigte Mikrorisse ist die Verwendung eines Kugelschreibers zur Aktivierung eines kapazitiven Touchpanels.
Die Spitze eines gewöhnlichen Kugelschreibers besteht aus einer Stahlkugel mit einem ungefähren Durchmesser von 0,5 mm. Diese Stahlkugel ist sowohl härter als auch kleiner als die Spitze eines mobilen Computers, die aus Kunststoff besteht und einen Durchmesser von etwa 1,6mm hat.
Wenn ein Instrument mit kleinem Durchmesser, wie ein Kugelschreiber, verwendet wird, können selbst typische Aktivierungsstärken (250-450 Gramm) zu großen Spannungen in der leitenden Schicht führen. Dieser hohe Stress führt zu einer beschleunigten Bildung von Mikrorissen.
Zusätzlicher Schaden entsteht, da die gehärtete Stahlkugel auch Kratzer in der vergleichsweise weicheren oberen Folie des Bereichs für Berührungserkennung hinterlässt.
Vorteile von Resistive Touch Panels
Zu den Vorteilen, die zur anhaltenden Relevanz von Resistiven Touchscreens beitragen, gehören:
Ihre Fähigkeit, Benutzereingaben trotz sich ändernder Umgebungsbedingungen zu erfassen. Die Abhängigkeit von physischem Kontakt mit der oberste Folie und der anschließenden Kompression der obersten Folie erzeugt einen Sensor, der unbeabsichtigt schwer zu aktivieren ist. Regentropfen, Schnee oder andere Niederschläge erzeugen nicht genug Kraft, um die obere Folie des Berührungsbildschirms zu komprimieren; daher beeinträchtigen diese Umgebungsbedingungen den Betrieb nicht.
Die Abhängigkeit von physischem Kontakt ermöglicht es, dass das Touchpanel von Benutzern aktiviert wird, die jede Art von Handschuhen tragen, die es ermöglichen, ausreichend Kraft aufzubringen, um die obere Folie zu komprimieren.
2. Kapazitive Touch-Panels
Das von Widerstandstastaturen verwendeten kraftbasierte Aktivierungsschema ist robust und ermöglicht eine flexible Umgebung, erlaubt jedoch keine Eingaben mit mehreren Berührungen. Das (projektive) kapazitive Touchpanel wurde entwickelt, um Multi-Touch-Eingaben zu ermöglichen, und schafft dadurch eine intuitivere Benutzeroberfläche.
Gestenbasierte Eingaben, wie das Heranzoomen durch Antippen, reduzieren die Anzahl der für die Interaktion mit dem Gerät erforderlichen Schritte und vereinfachen die Benutzeroberfläche. Diese Vereinfachung für den Endbenutzer geht zu Lasten einer erhöhten Komplexität, sowohl auf Ebene der Touchpanel-Hardware als auch der Steuerungssoftware.
Design und Funktionalität von kapazitiven Touchpanels
Ein kapazitiver Touchscreen ist ein berührungsloser Sensor, der Änderungen der Kapazität zur Positionsbestimmung des Eingangs verwendet. Die Berührungsfläche besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Sensor und dem Deckglas.
Strukturbedingt kann der Sensor auf Glas- oder flexiblen Polymerfolien aufgebaut sein; für illustrative Zwecke beschreibt dieses Dokument nur Berührungsfelder, die Filmsensoren verwenden.
Wie ein resistiver Berührungssensor besteht der kapazitive Sensor aus zwei Folien. Jeder Film erfasst Eingaben in einer einzigen Ausrichtung; entweder entlang der horizontalen oder vertikalen Achse. Für eine einzelne Ausrichtung wird die leitfähige Oberfläche der Folie geätzt, um ein Gittermuster aus leitfähigen Zellen zu erzeugen. Jede Zelle projiziert ein elektrostatisches Feld über die Oberfläche des Sensors.
Wenn ein leitfähiger Gegenstand, wie ein menschlicher Finger, in das projizierte elektrostatische Feld gebracht wird, wird eine gewisse Ladung kapazitiv an den Gegenstand gekoppelt. Ein Mikrocontroller misst dann die neue Kapazität als Spannungsänderung, die dann in eine Position auf dem Touchpanel und schließlich auf der Anzeige umgewandelt wird.
Mikrocontroller-Integrierte Schaltung und Firmware
Da diese Technik jede leitfähige Zelle unabhängig misst, oft mehrmals pro Sekunde, benötigen alle kapazitiven Touchpanels einen spezialisierten Mikrocontroller-IC. Die Firmware, die von diesem integrierten Schaltkreis ausgeführt wird, kann viele Details der Berührungsfeldfunktion steuern. Dazu gehört der Abstand vom Sensor, in dem ein leitfähiges Objekt als Berührung registriert wird (Empfindlichkeit), die Größe des Objekts, das als Berührung registriert wird (Auflösung), und die Häufigkeit, mit der die Position aktualisiert wird. Einzig abgestimmte Firmware und integrierte Schaltkreise interagieren auf unterschiedliche Weise mit dem Betriebssystem des Mobilgeräts; daher erfordern Änderungen an diesen Elementen häufig Treiberaktualisierungen des Betriebssystems.
Begrenzungen des kapazitiven Touchpanels
Der schwierigste Fehlermodus, der bei kapazitiven Touch-Panels verhindert werden muss, ist eine Beschädigung durch Punktschläge. Stoßbelastungen treten auf verschiedene Weise auf, meist jedoch, wenn ein Gerät auf eine unebene Oberfläche, wie Kies oder Asphalt, fallen gelassen wird.
Wenn ein Gerät auf die Vorderseite fallen gelassen wird, berühren kleine Vorsprünge auf der Landefläche den Berührungsbereich. Da solche Vorsprünge eine sehr kleine Kontaktfläche haben, kann die lokale Belastung auf dem Touchscreen so hoch werden, dass sie selbst chemisch gehärtetes Glas zerreißen kann. Diese Arten von Ausfällen können durch das Gerätedesign gemindert werden, bleiben aber ein Hauptgrund für die Gesamtschäden an kapazitiven Touchpanels.
Vorteile des kapazitiven Touchpanels
Leistungsoptimierung
Das Sensormusterdesign, der Controller-IC und die Controller-Firmware tragen alle zu den allgemeinen Leistungseigenschaften der Bereiche bei. Diese Faktoren können angepasst werden, um das Touchpanel in verschiedenen Umgebungen, wie z. B. bei Regen oder wenn das Eingabeobjekt nicht leitfähig ist (eine behandschuhte Hand), zu optimieren.
Die Abstimmung stellt ein komplexes Optimierungsproblem dar, bei dem die Leistung verbessert werden kann, aber nicht immer makellos gestaltet wird. Berührungsbereiche können speziell für bekannte Kundenumgebungen optimiert werden, um die Flexibilität zu maximieren.
In diesem Bereich der kontinuierlichen Innovation durch Touchscreen-Anbieter werden neue Produkte die bestmöglichen Lösungen nutzen, um ihre Kunden zufriedenzustellen.
Mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit
Während der Sensor selbst den funktionalen Aspekt eines kapazitiven Berührungsfeldes bereitstellt, bietet das Abdeckglas Struktur und mechanische Widerstandsfähigkeit. Das Deckglas ist oft doppelt so dick wie der Sensor, obwohl es in einigen industriellen Anwendungen sogar noch dicker ist.
Der Sensor und das Deckglas werden in der Regel mit optisch klarem Kleber (OCA) zusammen laminiert, was dem Sensor eine einheitliche mechanische Festigkeit verleiht. Die Festigkeit des Deckglases hat sich im letzten Jahrzehnt mit der Einführung von „chemisch gehärtetem“ Glas verbessert. Diese Art von Glas verbessert die Fähigkeit des Touchpanels, sich zu biegen, ohne zu brechen, und ist außerdem kratzfest. Die Biegefestigkeit ist eine wichtige Eigenschaft bei der Entwicklung eines Produkts, das Stürze aus verschiedenen Höhen überstehen muss.
Während eines Sturzes verformt sich die Struktur eines Produkts, wodurch sich das Touchpanel biegt; Touchpanels, die aus chemisch gehärtetem Glas hergestellt sind, können größere Biegebeanspruchungen aushalten, ohne dass im Deckelscheiben Risse entstehen. Zusätzlich verfügt chemisch gehärtetes Glas über eine höhere Oberflächenhärte im Vergleich zu nicht gehärtetem Glas; dies führt zu einem vergleichsweise höheren Grad an Kratzfestigkeit.
Es gibt viele Hersteller von chemisch gehärtetem Glas, aber Corning Gorilla Glas gilt derzeit als das widerstandsfähigste.
Hersteller wählen weiterhin die Art des Berührungsbereiches, der bei neuen Produkten verwendet wird, basierend auf dem Meinungsbild ihrer Kunden. Die aktuellen Trends deuten auf einen Kundenbedarf an intuitiven Benutzeroberflächen und ökologischer Flexibilität hin. Diese Bedürfnisse haben dazu geführt, dass das kapazitive Touch-Panel (das eine Ablehnung von Wasser und die Bedienung mit Handschuhen ermöglicht) die aktuelle Produkt-Roadmap dominiert. Folglich hat die Integration von kapazitiven Berührungsbedienfeldern abgenommen, obwohl sie weiterhin eine Nischenrolle für Geräte mit einfachen Benutzeroberflächen spielen.
