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Kapazitiver Touchscreen

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Der kapazitive Touchscreen ist ein Bedienfeld, das die Kapazitätsänderung misst, die bei der Berührung durch ein leitfähiges Objekt verursacht wird, um die Berührungsposition zu ermitteln. Der projiziert-kapazitive Typ ist der beliebteste Typ in den Anwendungen.

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I. Kapazitiver Touchscreen

Der kapazitive Touchscreen ist ein Bedienfeld, das die Kapazitätsänderung misst, die bei der Berührung durch ein leitfähiges Objekt (wie einen Finger) verursacht wird, um die Berührungsposition zu ermitteln

Im Gegensatz zu resistiven Touchscreens, bei denen ein Druck erforderlich ist, um den tatsächlichen Kontakt zwischen zwei leitenden Schichten im Inneren herzustellen, kann bei kapazitiven Methoden die Kapazitätsänderung nur durch eine leichte Berührung des Bildschirms ermittelt werden

Folglich ermöglicht es einen reibungslosen und schnellen Bildlauf, eine hohe Haltbarkeit und eine hervorragende optische Leistung

Daher können für kapazitive Touchscreens flexiblere Materialien für die Substrate gewählt werden, z. B. Glas und Kunststoff, während resistive Technologien eine flexible Schicht erfordern

-Wie funktioniert ein kapazitiver Touchscreen?

Eine Schicht aus transparentem, metallisch leitendem Material (Indium-Zinn-Oxid: ITO) wird auf die Oberfläche des Substrats des Bedienfelds aufgetragen

Wenn ein leitfähiges Objekt berührt wird, ändert sich die Kapazität der Berührungsstelle, so dass die Berührungsstelle erkannt werden kann.

Der kapazitive Touchscreen ist ein mehrschichtiger Verbundbildschirm:

die äußere Schicht besteht in der Regel aus Quarzglas, das aufgrund seiner guten Transparenz und Härte als Schutz dient.

die innere Oberfläche des Glases und die innere Schicht (Schichten) sind jeweils mit metallisch leitfähigem Material (ITO) beschichtet, und die Tastensensorschicht mit einer Elektrode an jeder Ecke.

Da das elektrische Feld des menschlichen Körpers, wenn ein Finger nähert sich der Touchscreen, eine Kopplung Kapazität wird dazwischen gebildet

In der Hochfrequenzstromumgebung wird die Kapazität zu einem direkten Leiter, der Finger zieht eine kleine Menge Strom aus der Berührungsposition. Parallel dazu fließt der Strom von den Elektroden an jeder Ecke ab.

Die Stromänderung an jeder Elektrode ist proportional zum Abstand zwischen dem Finger und der jeweiligen Ecke. Der Controller kann die Position des Berührungspunkts durch genaue Berechnung des Verhältnisses der Stromänderung ermitteln.

-Klassifizierung des kapazitiven Touchscreens

Das kapazitive Verfahren wird in oberflächenkapazitive und projiziert-kapazitive Methoden unterteilt.

Aufgrund des Funktionsprinzips der beiden Verfahren ist die Berührungsfunktion jedes Typs eingeschränkt.

● Oberflächen-kapazitiver Touchscreen (SCT)

Er besteht aus einer leitenden Schicht, deren vier Ecken mit vier perfekt synchronisierten Wechselspannungssignalen verbunden sind, wie in Abbildung 3 dargestellt

Die Berührungsposition kann anhand der Stromschwankungen an den vier Eck-Wechselspannungsquellen geschätzt werden, die durch die Berührung des Kämpfers verursacht werden.

Der Vorgang läuft wie folgt ab:

(1) Der Finger, der den Bildschirm berührt, verursacht die Stromdifferenz in vier Spannungsquellen

(2) Die Spannungsquelle befindet sich näher am Berührungspunkt, wo die Stromschwankung aufgrund der geringeren ohmschen Last größer wird

(3) Folglich werden die Berührungspunkte aus dem Verhältnis der Ströme über vier Spannungsquellen berechnet

Obwohl er nicht für Mehrfachberührungen geeignet ist, kann er aufgrund seiner hohen Lebensdauer in Geldautomaten integriert werden.

● Projiziert-kapazitiver Touchscreen (PCT)

Bei projiziert-kapazitiven Touchscreens werden zwei gemusterte leitende Schichten verwendet, die voneinander getrennt sind und sich in Form einer Matrix überkreuzen

Die horizontalen und vertikalen Muster entsprechen der Positionsinformation des Berührungsereignisses

Es gibt zwei Ansätze zur Erzeugung und Messung der Kapazität:

(1) Selbst-Kapazität

Es wird die Kapazität zwischen der horizontalen Elektrode und der Erde und zwischen der vertikalen Elektrode und der Erde gemessen, wobei jede Zeile und Spalte ihre eigene Kapazität hat, wie in Abbildung 4(a) dargestellt.

Die Selbstkapazität kann schnell reagieren, hat aber ein Problem bei der Lokalisierung der tatsächlichen Berührungsposition, wenn zwei oder mehr Berührungen geladen sind. Diese falsche Identifizierung wird als Geisterortung bezeichnet

Daher wird sie in der Regel bei Einzelberührungen und Gestenberührungen eingesetzt, nicht bei Mehrfachberührungen

Ein weiterer Nachteil dieses Ansatzes ist, dass die Leistung direkt von der Feuchtigkeit der Finger und der Umgebung beeinflusst wird.

(2) Gegenseitige Kapazität

Beim Ansatz der gegenseitigen Kapazität bildet der überlappende Bereich von zwei Elektrodengruppen eine Kapazität

Die Berührung mit dem Finger verringert die gegenseitige Kapazität aufgrund des Verlustes des elektrischen Feldes durch den zwischen zwei Elektroden platzierten Finger.

Es misst die Kapazität jedes überlappenden Bereichs der horizontalen und vertikalen Muster, wie in Abbildung 4(b) dargestellt

Da die Messung individuell ist, kann sie Multi-Touch-Funktionen ohne Begrenzung der Anzahl der Finger unterstützen

Darüber hinaus wird die gegenseitige Kapazität nicht leicht durch die Umgebung oder den Finger beeinflusst.

Aufgrund dieser Vorteile ist sie heute eine beliebte Touchscreen-Technologie geworden.

-Vergleich in der Anwendung

● Oberflächenkapazitive Touchscreens werden meist in öffentlichen und industriellen Systemen wie Industrieinstrumenten, Geldautomaten und Kiosken eingesetzt, die sich im Freien oder in Umgebungen mit strengen Temperatur- und Feuchtigkeitsanforderungen befinden. Die Kosten sind im Vergleich dazu höher.

● Das projiziert-kapazitive Touchpanel hat geringe Driftprobleme und eine bessere Durchlässigkeit, und es kann mehrere Berührungen erreichen. Es ist beliebt bei Verbraucherprodukten mit einem kleinen oder mittelgroßen Bildschirm.

II. Lösung für den Touchscreen auf dem Display

Bei der Grundstruktur eines kapazitiven Touchscreens wird das Touchpanel auf den Bildschirm geklebt, um einen Touchscreen zu bilden

Mit der zunehmenden Marktnachfrage nach dünnen und leichten Bildschirmen, insbesondere bei Unterhaltungselektronikprodukten, und der IC-Entwicklung von TDDI (Touch and Display Driver Integration) haben sich eingebettete Touchscreen-Lösungen entwickelt und auf dem Markt durchgesetzt.

-Klassifizierung nach Lösung

Im Allgemeinen kann man die Methode, den Touchscreen mit dem Display zu verbinden, in zwei Lösungen unterteilen: add-on und embedded.

-Add-on Lösungen: G+F/ G+F+F, G+G/ OGS

Dies ist die traditionelle Methode, bei der der Touchscreen als separates Panel auf dem Display angebracht wird

Je nach dem Substrat, das für die Berührungsschicht des Touchscreens verwendet wird, kann die Add-on-Lösung weiter in "Glastyp" und "Folientyp" unterteilt werden

Zu den Glaslösungen gehören G+G (Deckglas + Glas mit ITO/ITOs) und OGS (One Glass Solution)

OGS ist eine Weiterentwicklung von G+G, bei der das ITO direkt auf das Deckglas aufgebracht wird. Sie spart die Kosten für ein Stück Glas und die einmalige Verklebung

Der Nachteil ist jedoch, dass die Festigkeit des Glases bei der Verarbeitung abnimmt.

Zu den Folienlösungen gehören G+F (Deckglas + Folie mit ITO/ITO) und G+F+F, bei denen ITO auf die Folie und nicht auf das Glas aufgetragen wird

Sie kann also dünner und leichter sein als die G+G-Lösung

Da G+F jedoch nur eine Sensorschicht (ITO-Folie) hat, kann es keine Multi-Touch-Funktion erreichen, aber andere Lösungen haben kein Problem.

-Eingebettete Lösungen: In-Cell, On-Cell

Die Berührungsschicht ist in das Displaymodul eingebettet

Es gibt zwei Systeme: On-Cell und In-Cell.

Bei On-Cell wird die Berührungsschicht zwischen dem Farbfiltersubstrat (CF) und dem Polarisator eingebettet

Bei In-Cell wird die Berührungsschicht hinter dem CF-Substrat und innerhalb der Zellschicht eingebettet, was komplizierter ist als On-Cell.

-Vergleich der Merkmale der verschiedenen Lösungen

Im Allgemeinen ist die Technologie von Add-on-Lösungen ausgereift und einfach und kann zu geringen Kosten implementiert werden.

Während die eingebettete Lösung dem Markttrend zu dünnen und leichten Bildschirmen gerecht werden kann, ist die Technologie kompliziert und stellt höhere Anforderungen an die IC-Unterstützung. Es braucht noch Zeit, um einen hohen Ertrag zu erzielen und die Kosten zu senken.

Aus der Sicht der Industrie, die um Marktanteile konkurriert, fördern die Hersteller von Touch-Panels Add-on-Lösungen, während Hersteller von Display-Panels wie LG, Samsung und Sharp eingebettete Lösungen vorantreiben.

Im Vergleich dazu:

● Berührungsempfindlichkeit: OGS > On-Cell > In-Cell

● Multi-Touch: außer G+F, alle anderen sind fähig

● Bildschirmtransparenz und visuelle Effekte: OGS＞ Embedded ＞GG＞GF＞GFF

● Leicht und dünn: In-Cell＜OGS< On-Cell＜GF＜GFF＜GG (von dünn bis dick)

● Anti-Impact/Stärke des Bildschirms: On-Cell > OGS > In-Cell

● Wartungskosten: Eingebettet > OGS > GF/GFF/GG

● Kosten/technische Schwierigkeiten: Eingebettet > Add-on

● Ausbeutesatz: Add-on > Eingebettet

III. Marktwert und Entwicklung des kapazitiven Touchscreens

Fingerberührungen sind eine intuitivere Schnittstelle für die Interaktion mit Anzeigen und Maschinen.

- Funktionsvorteile und Werte

Im Vergleich zu anderen Touchscreen-Technologien heben sich die kapazitiven Touchscreen-Panels durch die folgenden Merkmale von den anderen Technologien ab, insbesondere bei Verbraucherprodukten, die ein hervorragendes Erlebnis und Aussehen bieten sollen

● Hohe Genauigkeit: bis zu 99%

● Hohe Lichtdurchlässigkeit: 85%- 90%

● Hohe Empfindlichkeit: Sensorkraft kann weniger als 2oz sein, Reaktionszeit weniger als 3ms

● Hohe Stabilität: der Cursor driftet nicht nach einer Kalibrierung

● Hohe Haltbarkeit / lange Lebensdauer: jede Position kann mehr als zehn Millionen Berührungen aushalten

● Sanfte Multi-Touch-Funktion: verschiedene Optionen zur Archivierung des Multi-Touch

● Starker Schutz: Abdeckglas kann hoch kratzfest sein (Mohs-Härte 7H) und mit guter Abschirmung gegen äußere Verschmutzung, wie Wasser, Öl, Feuer, Strahlung und statische Elektrizität.

- Entwicklung und Herausforderungen in der Anwendung

Seit den 60er Jahren haben sich Touchscreen-Anwendungen, ausgehend vom US-Militär, auf die Bereiche des Massenkonsums, des Handels und der Industrie ausgeweitet

In der aktuellen Ära des IoT ist die Nachfrage nach intelligenten Operationen schnell gestiegen, und immer mehr Terminals haben sich auf Touch-Displays als Eingabemedien verlassen.

In der Fahrzeugindustrie zum Beispiel wird die Innenausstattung mit immer mehr Touch-Displays für verschiedene Bedienfelder ausgestattet, und die Bildschirme werden immer breiter und größer.

Mit diesem Trend ist der Markt für Touch-Displays in eine schnelle Entwicklungsphase der Produktdiversifizierung eingetreten

Obwohl bei den Touchscreen-Technologien viele Fortschritte erzielt wurden, gibt es immer noch Herausforderungen

Die Integration mit anderen Technologien sowie flexible und diversifizierte Anwendungen sind nach wie vor Trends und Herausforderungen für die zukünftige Entwicklung der Touchscreen-Industrie.

Wenn Sie Touchscreen-Displays für Ihr Projekt benötigen, können Sie sich gerne an uns wenden. Wir haben Standard-Touchscreen-Displays für Sie zur Auswahl und können Ihnen eine maßgeschneiderte Lösung für Ihre Erwartungen durch unser Ingenieurteam anbieten.