Hoe wordt een goedkoper Touch Control-systeem ontworpen?

Capacitieve touchscreenszijn steeds meer mainstream geworden en zijn niet langer een nieuwigheid. Hun acceptatie blijft groeien naarmate apparaten zoals smartphones en tablets met miljoenen tegelijk worden verzonden. Maar nu ze alomtegenwoordig zijn, zijn consumenten terughoudender om een ​​hogere premie voor de technologie te betalen.

Om winstmarges te behouden in deze competitieve omgeving, moeten OEM's de kosten van apparaten verlagen. En de touchscreenmodule is een van de duurste componenten in touchscreen-aangedreven apparaten. Door de juiste paneelstapelingen en -patronen, displays, materialen, routing en controller te gebruiken, kunnen ontwerpers hun systeemkosten verlagen.

Lens en touchscreen-sensor afdekken

Een standaard touchscreen-systeem bestaat uit een geprojecteerde capacitieve touchscreen-sensor die is gelamineerd op een beschermende lens, een gelijmde flexibele printplaat (FPC) met de touchscreen-controller erop gemonteerd, en een display. De FPC verbindt de touchscreen-controller met de hostprocessor. Het display bevindt zich onder de touchscreen-sensor en is meestal gescheiden door een luchtspleet of is direct gelamineerd.

1. Een standaard capacitief touchscreen-systeem bestaat uit een geprojecteerde capacitieve touchscreen-sensor die is gelamineerd op een beschermende lens, een gelijmde FPC met de touchscreen-controller erop gemonteerd en het display.

De coverlens is de bovenste fysieke laag van het touchscreensysteem. De kosten kunnen sterk variëren, afhankelijk van het type materiaal (glas of polymethylmethacrylaat, of PMMA), speciale coatings (oleofoob, hydrofoob), decoratieve inkt of het aantal boorgaten voor camera's of sensoren. PMMA, een goedkoper, lichter en breukbestendig alternatief voor de duurzamere en optisch doorlatende glasoptie, kan deze kosten tot wel 50% verlagen.

PMMA-sensoren kunnen echter last hebben van een lagere signaalgevoeligheid. Bovendien is PMMA flexibeler dan glas, waardoor het problemen kan vertonen met het buigen van het paneel wanneer een vinger of een ander object met aanzienlijke kracht naar beneden drukt. Het buigen van het paneel kan leiden tot onjuiste en onnauwkeurige aanraakrapportage. Toch kan een glazen substraat of een extra afschermlaag in de touchscreen-sensor het buigen van het paneel voorkomen. Daarom moet het materiaal van de afdeklens nauwkeurig worden overwogen voor elke touchscreen-sensorstapeling(Fig. 2).

2. Moderne touchproducten maken gebruik van meerdere soorten sensorstapelingen.

Touchscreensensoren zijn complexe structuren. Ze worden gebouwd door indiumtinoxide (ITO) op een glas- of polyethyleentereftalaat (PET)-substraat te sputteren en vervolgens een eigen patroon in de ITO te etsen. De patronen en structuren waaruit elke sensorlaag bestaat, zijn aangepast aan de ontwerpbehoeften van het systeem.

Standaard touchscreen-ontwerpen gebruiken doorgaans tweelaagse ITO-touchscreensensoren zoals de MH3- en diamantensensoren in Afbeelding 2 om een ​​goede nauwkeurigheid, lineariteit en multi-touch-prestaties te bereiken. Tweelaagse sensorontwerpen gebruiken substraten van glas of polyethyleentereftalaat (PET). PET is goedkoper en biedt een betere immuniteit tegen displayruis, maar zal lijden aan een lichte degradatie van de optische helderheid. Uiteindelijk is de meest effectieve methode om de kosten van touchscreen-sensoren te verlagen, het aantal stapellagen te verminderen.

Door enkellaags sensoren te integreren, kunnen systeemontwerpers de sensorkosten met wel 50% verlagen. Minder lagen (substraat, ITO, optisch heldere lijm (OCA)) helpen leveranciers van aanraakschermen om materiaal- en gereedschapskosten te verlagen. Het verwerken van minder lagen verbetert ook de productieopbrengst. Goedkope enkellaags touchscreens gebruiken één PET-substraat met een vereenvoudigd gepatenteerd patroon met goede optische transmissie.

Vanuit een prestatiestandpunt hebben enkellaagssensoren een lagere nauwkeurigheid en lineariteit en beperken ze het aantal ondersteunde vingeraanrakingen (meestal slechts één vinger of twee vingers). Deze goedkope enkellaagssensoroplossingen zijn ideaal voor low-end smartphones en feature phones.

Systeemontwerpers die eerder resistieve touchscreens of helemaal geen touchscreens gebruikten, zouden deze stack-up-optie goed moeten vinden passen bij hun ontwerp- en budgetbehoeften. Vergeleken met resistieve touchscreens bieden enkellaags capacitieve touchscreens onderscheidende voordelen, waaronder verbeterde optische helderheid, lager vermogen, verhoogde duurzaamheid en verbeterde gebruikerservaring.

Single-layer multi-touch oplossingen zoals Cypress's SLIM (Single-Layer Independent Multi-touch) kunnen de kosten met wel 40% verlagen in vergelijking met dual-layer sensoren. Single-layer sensoren leveren iets lagere prestaties, maar excelleren in het ondersteunen van de dunste form factors. Single-layer multi-touch sensoren ondersteunen ook dunne rand- of randloze touchscreen sensoren, waardoor het actieve gebied van het touchscreen kan worden uitgebreid. Ontwerpers die geïnteresseerd zijn in het verlagen van zowel de kosten als de dikte, kunnen single-layer sensoren als een haalbare optie beschouwen.

Kleinere schermformaten zijn aanzienlijk zuiniger. De grootte van het actieve gebied heeft invloed op de kosten van het touchscreen. Het is duidelijk dat systeemontwerpers alle paden moeten overwegen om het ontwerp en de selectie van het paneel te optimaliseren.

FPC-ontwerp

Een andere manier om apparaatkosten te verlagen is via FPC-ontwerp. De FPC verbindt individuele sense input/output (I/O's) van het touchscreenpaneel met de touchscreencontroller en van de touchscreencontroller met de hostprocessor.

FPC's kunnen actief of passief zijn. Bij actieve FPC's worden de touchscreen-controller en alle andere vereiste externe componenten, zoals weerstanden en condensatoren, op de FPC zelf gemonteerd. Bij passieve FPC's bevat de FPC alleen routing-traces en de touchscreen-controller, en worden externe componenten op een printed-circuit board (PCB) gemonteerd.

Of ze nu actief of passief zijn, FPC's kunnen op verschillende manieren worden gerouteerd. Hoe efficiënter en veelzijdiger de routering, hoe gemakkelijker het is om andere hardwarecomponenten te integreren. Houd er echter rekening mee dat de kosten toenemen met het aantal lagen dat nodig is voor routering. Doordachte routering op één laag helpt FPC-kosten te minimaliseren. Routering op één laag heeft ook aanzienlijke voordelen voor zowel signaalintegriteit als compact FPC-ontwerp.

Weergaven

In een touchscreen-systeem zit de geprojecteerde capacitieve touchscreen-sensor bovenop het display. Displays zijn inherent ruisachtig, wat ervoor kan zorgen dat displayruis direct koppelt met de touchscreen-sensor(Figuur 3). Dit vermindert de aanraakgevoeligheid en produceert valse aanraakactivering. Goede ontwerpkeuzes kunnen displayruis verminderen en een substantiële impact hebben op prestaties en kosten.

3. Beeldschermen zijn inherent luidruchtig. Ruis van beeldschermen kan capacitief koppelen met het touchscreen en de touch-prestaties verminderen.

Om displaygeluid te blokkeren, implementeert de industrie traditioneel een extra ITO "shield"-laag tussen het display en de touchscreen-sensor. Hoewel effectief, voegt de shield-laag kosten toe en vergroot de dikte van de touchscreen-module. Een alternatief is het gebruik van een kleine luchtspleet, meestal tussen {{0}}.2 mm en 0,5 mm, om het display van de touchscreen-sensor te scheiden.

Een luchtspleet is kosteneffectiever dan een afschermlaag, maar het vergroot ook de dikte van de touchscreenmodule, wat ongewenst wordt voor OEM's die slankere en dunnere apparaten willen bouwen. Een belangrijkere ontwerpkeuze zal de selectie van het display zelf zijn.

Momenteel zijn de populairste displays voor mobiele telefoons en tablets nog steeds thin-film transistor (TFT) LCD's, die algemeen verkrijgbaar zijn in twee smaken: dc common voltage (DCVCOM) en ac common voltage (ACVCOM). Het verschil is de methode die wordt gebruikt om de common electrode layer (VCOM) aan te sturen. Een ander steeds populairder wordend display in high-end apparaten is de active-matrix organic LED (AMOLED) met zijn brede kijkhoeken, verbeterde helderheid en contrast, lager stroomverbruik en verminderde dikte.

AMOLED-schermen produceren zeer weinig schermruis en behoren tot de stilste schermen, maar ze zijn wel duur.

DCVCOM is over het algemeen ook een stil display en duur. ACVCOM daarentegen is lawaaierig maar relatief goedkoop. De keuze van een display is sterk afhankelijk van de bedoeling van het apparaat voor eindklanten. De doeltoepassing zal de hardware en prestaties beoordelen die geschikt zijn voor zijn klanten.

Touchscreen-controller

Hoewel niet zo duur als het display of het touchscreen paneel, heeft de keuze van de touchscreen controller de meeste impact in termen van touchscreen systeemprestaties. De touchscreen controller integreert capacitieve sensor- en verwerkingstechnologie om vingeraanrakingen en gebaren op te lossen door hun locatie en gedrag te rapporteren aan de host processor.

Wanneer een vinger op een geprojecteerd capacitief touchscreen wordt geplaatst, detecteert de touchscreencontroller een verandering in capaciteit en zet die informatie om in digitale waarden. Deze digitale conversie wordt verder verwerkt met behulp van geavanceerde algoritmen voor aanraakresolutie in de touchscreencontroller voordat aanraakcoördinaten en andere relevante gegevens worden doorgegeven aan de hostprocessor.

Ruisgevoelige signalen vormen een grote technische uitdaging voor touchscreens. Controllers die gebruikmaken van hoogwaardige analoge front-ends, ingebouwde ruisverwerkingsmogelijkheden en geavanceerde verwerkingsalgoritmen zijn verplicht. Nu touch de gebruikersinterface van keuze wordt voor veel elektronische consumentenapparaten, zal de kwaliteit van touchscreencontrollers direct van invloed zijn op de gebruikerservaring van het eindproduct. Het kiezen van de juiste touchscreencontroller is essentieel voor het behalen van prestatie- en kostenvoordelen.

Een controller die een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) en effectieve ruisverwerking biedt, kan de signaalsterktevermindering compenseren die afkomstig is van ruisbronnen, zoals een goedkopere PMMA-coverlens of een luidruchtig ACVCOM-scherm. Om de prestaties van goedkope en multi-touch enkellaags sensoren te optimaliseren, moeten touchscreencontrollers compatibele verwerkingsalgoritmen leveren. Bovendien kunnen de kostenvoordelen van enkellaags FPC-routering alleen worden gerealiseerd als de pinout van de touchscreencontroller een flexibel routeringsontwerp mogelijk maakt.

Touchscreen-controllers kunnen ook de systeemkosten verlagen door enkele van de geavanceerde functies die ze ondersteunen. De meeste touchscreen-controllers interpreteren water op een touchscreen bijvoorbeeld als een vingeraanraking, omdat de wederzijdse capaciteitskenmerken van water en een vinger vergelijkbaar zijn. Om dit probleem op te lossen, kunnen leveranciers van touchscreen-panelen een dure laag hydrofobe coating toevoegen aan de lenskap.

Wanneer waterdruppels op de coverlens landen, helpt de coating om ze in kleinere druppels te breken, zodat ze niet langer als aanrakingen worden geregistreerd. Toch kan een touchscreen-controller die waterafstoting in staat stelt door middel van hardware- en firmwarefuncties water op de coverlens detecteren en afstoten.touch screenmet ingebouwde algoritmen en kan de OEM extra coatingkosten besparen.

Samenvatting

Ervaren ontwerpers die detouchscreen-systeemen de belangrijkste componenten kunnen de kosten aanzienlijk verlagen door intelligente keuzes in het ontwerp en de selectie van de coverlens, sensormateriaal en stack-up, displaytype en FPC-routering. Een innovatieve en hoogwaardige touchscreencontroller kan kostenbesparingen realiseren zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties, waardoor het eindproduct in de eerste plaats verkoopt.