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DE102007052008A1 - Single- oder multitouchfähiger Touchscreen oder Touchpad bestehend aus einem Array von Drucksensoren sowie Herstellung solcher Sensoren - Google Patents

Single- oder multitouchfähiger Touchscreen oder Touchpad bestehend aus einem Array von Drucksensoren sowie Herstellung solcher Sensoren Download PDF

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DE102007052008A1
DE102007052008A1 DE102007052008A DE102007052008A DE102007052008A1 DE 102007052008 A1 DE102007052008 A1 DE 102007052008A1 DE 102007052008 A DE102007052008 A DE 102007052008A DE 102007052008 A DE102007052008 A DE 102007052008A DE 102007052008 A1 DE102007052008 A1 DE 102007052008A1
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touchscreen
sensors
touchpad
display
pressure
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Andreas Steinhauser
Milosch Meriac
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Abstract

Ein multitouch fähiger Touchscreen oder Touchpad wird dadurch realisiert, dass eine große Anzahl Drucksensoren unter einer flexiblen Fläche angebracht wird und damit sowohl die Druckverteilung als auch die Verformung der Fläche gemessen wird. Durch die Flexibilität des Oberflächenmaterials mit der einhergehenden Verformung bei Berührung entstehen lokale Druckmaxima. Da mehrere lokale Druckmaxima existieren können lassen sich so nun also auch mehrere Berührungen gleichzeitig erkennen. Aus der Druckstärke und der Druckverteilung lässt sich obendrein die Kraft ermitteln, mit der gedrückt wird, so dass diese Information ebenfalls im Userinterface verwendet werden kann. Solche Sensoren können sehr effizient und kostengünstig hergestellt werden indem eine Tinte, die unter Druck ihren Widerstand ändert auf als Sensorflächen ausgeführte Leiterbahnen aufgedruckt werden. Ebenso können auch die Leiterbahnen und die Sensorflächen mit einer Tinte mit möglichst niedrigem Widerstand ausgedruckt werden.

Description

  • Derzeit existieren einige Methoden der Interaktion mit Maschinen oder Computern, z. B. Maus, Tastatur, Touchscreen, Touchpad und diverse Sensorik.
  • Insbesondere die Touchscreen-Technologie wird immer beliebter, da hier eine unmittelbare Interaktion mit dem Gerät bei sofortigem Feedback über den Bildschirm möglich ist.
  • Zudem ist gerade bei mobilen Geräten die Platzersparnis relevant, da Display und Touch-Interface vereint weniger Raum einnehmen als Display plus z. B. eine Tastatur. Aber auch Touchpads, also berührungsempfindliche Flächen, sind heute der gängigste Ersatz für eine Maus z. B. bei Notebooks.
  • Mit der Erfindung s. g. "multitouch" fähiger Touch-Devices (Touchscreen oder Touchpad), bei der auch mehr als ein Finger oder Stift oder sonstige Gegenstände detektiert werden können, wird eine völlig neue Interaktion z. B. mit mehreren Personen gleichzeitig auf einem Display möglich. Zudem lassen sich intuitivere Interfaces die mit mehreren Fingern bedient werden können realisieren.
  • Diese Verfahren sind entweder schwer oder gar nicht miniaturisierbar oder sehr teuer. Eine preiswerte, robuste und leicht miniaturisierbare Lösung fehlt bisher.
  • Multitouch-fähige zweidimensionale Eingabegeräte werden heute üblicherweise über bildgebende Verfahren oder über transparente, kapazitive Sensorarrays oberhalb des Displays realisiert. Auch der Einsatz induktiver Verfahren ist denkbar.
  • Bei den bildgebenden Verfahren „betrachtet" eine Infrarot-Kamera eine semitransparente Projektionsfläche aus Glas oder Acryl. Auf diese Projektionsfläche wird das darzustellende Computerbild von unten mittels einem Beamer Projiziert. Gleichzeitig wird die Scheibe seitlich mit infrarotem Licht beleuchtet. Wenn jetzt ein oder mehrere Finger die Projektionsfläche berühren, ändert sich an dieser Stelle der Brechungsindex des Glases und im Bild der Infrarotkamera sieht man den oder die Finger (und nur diese) als Punkte. Diese Punkte kann man nun mittels Bilderkennung lokalisieren und dadurch die Position errechnen. Solche bildgebenden Verfahren lassen sich heute nicht ausreichend flach herstellen um in mobilen Geräten Einzug zu finden.
  • Es gibt aber auch diverse Experimente, bei denen Arrays von Infrarot-LEDs und -sensoren hinter einem TFT Display angebracht werden um die Reflexion des Infraroten Lichtes der LEDs am Finger detektieren. Durch die Verwendung der LEDs ist der Energieverbrauch jedoch vergleichsweise hoch, so dass sich das Verfahren kaum für den Einsatz in mobilen Geräte eignet. Obendrein ist es natürlich empfindlich gegen äußere Infrarotstrahlung z. B. Sonnenlicht.
  • Ebenso gibt es Verfahren, welche die Sensorik in den Herstellungsprozess des Displays integrieren. Diese sind jedoch grundsätzlich abhängig von der Displaytechnologie und sehr speziell. Sie lassen sich keinesfalls nachträglich integrieren.
  • Bei kapazitiven multitouch-Interfaces wird die Änderung der Kapazität eines oder mehrerer Sensoren bei Annäherung eines Fingers oder eines anderen Dielektrikums gemessen. Aus Interpolation der Signale verschiedener als Array angeordneter Sensoren kann nun die Position eines oder mehrerer Finger errechnet werden. Kapazitive Sensorik ist störanfällg gegen Störstrahlung und kann außerdem ein heute übliches Display nicht durchdringen. Daher muss die Sensorik auf Indium-Zinn-Oxyd Basis transparent hergestellt und oberhalb des Displays angeordnet werden. Da Indium eines der seltensten Elemente der Erde ist sind solche Interfaces sehr teuer. Ausserdem sind sie nicht perfekt transparent, sodass die Ablesbarkeit des Bildschirms leidet und ggf. spiegelnde Effekte auf dem Interface störend wirken können.
  • Induktiven Verfahren liegt der stark störende Aspekt zugrunde, dass sie nur mit speziellen Stiften die elektronische Komponenten enthalten, funktionieren.
  • Touchscreen oder Touchpad Interfaces, bei denen nur ein Finger detektiert werden kann werden heute auf unterschiedlichste Weise realisiert.
  • Unter anderem existieren Methoden zu Ermittlung der Fingerposition auf Basis von Drucksensoren, die an den Ecken des Displays angebracht sind und die Position aus den dem Hebelgesetz folgenden unterschiedlichen Druckverhältnissen an den Sensoren errechnen. Diese lassen sich jedoch nicht verwenden um damit mehr als einen Finger oder Stift zu detektieren. Zusätzlich darf die Fläche nicht flexibel sein oder muss ggf. gegen verbiegen verstärkt werden, da ansonsten eine Interpolation nicht in ausreichender Genauigkeit möglich ist.
  • Ebenfalls existieren Drucksensor-Arrays, die verwendet werden um möglichst präzise die unterschiedlichen Druckverhältnisse auf einer Fläche zu messen, z. B. zu medizinischen Zwecken (Druckverhältnisse an Fusssohlen beim Stehen oder gehen) oder in der Geräte-Messtechnik um z. B. die unterschiedlichen Drücke gesamten Fläche eines Bremsklotzes auf eine Bremsscheibe zu messen.
  • Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Single- oder Multitouch-Fähiges Display oder Touchpad sehr effizient und preiswert herzustellen, das sowohl Robust und und unempfindlich gehen Störeinflüsse ist, als auch sich leicht miniaturisieren und in mobilen Geräten einsetzen lässt.
  • Drucksensoren (3) werden als zweidimensionales Array auf einer Bodenfläche (1) angeordnet und mit Signalleitungen (2) versehen, sodass jeder Sensor einzeln ausgewertet werden kann. Auf dieses Array wird ein möglichst dünnes und damit flexibles Display (4) zur Verwendung als Touchscreen oder eine Fläche aus flexiblem Material (4) (z. B. PVC, Acryl, bis hin zu Papier, Textilien o. ä.) zur Verwendung als Touchpad so platziert, dass jeder Drucksensor das Display bzw. die Fläche berührt. Da moderne Displays in der Regel sehr dünn sind weisen sie eine gewisse Elastizität auf. Bei der Verwendung als Touchpad (ohne Display) kann man die Elastizität der Fläche durch Wahl des Materials selbst bestimmen.
  • Berührt nun ein Finger oder ein anderer Gegenstand (F1) das Display oder die Fläche (4), überträgt sich dieser Druck gemäss des Hebelgesetzes unterschiedlich auf die darunter liegende Sensorik (R1 und R2 in B-B(1)). Es lassen sich durch Anwendung des Hebelgesetzes die Strecken L1 und L2 für alle Sensoren und damit die Position des Fingers auf der Fläche bereits eindeutig selbst bei Verwendung von nur drei Drucksensoren ermitteln, allerdings kann so keine zweite Berührung differenziert werden. Da das Display bzw. die Fläche aber zusätzlich leicht elastisch ist, wird die Fläche an der Stelle der Berührung leicht und reversibel deformiert (B-B(2)). Diese Deformation führt dazu, dass die Sensorik in der Nähe der Berührung stärker und weiter entfernt schwächer belastet wird, als dies nach dem Hebelgesetz zu erwarten wäre. Dies führt zu einem lokalen maximum der Sensorwerte in unmittelbarer Nähe des Berührungspunktes. Wenn nun eine zweite Berührung (F2) in ausreichender Entfernung stattfindet wirkt dieser Druck ebenfalls gemäss des Hebelgesetzes, allerdings entsteht zusätzlich ein weiteres lokales Maximum duch die Verformung der Oberfläche. Die ausreichende Entfernung der Berührungen definiert sich über den Abstand der Sensoren, der Messgenauigkeit der Sensoren und der Elastizität der Oberfläche.
  • Insbesondere können die Drucksensoren für ein solches Array dadurch hergestellt werden, dass man ein Material, welches unter Druck seinen Widerstand ändert (9) in einem Printverfahren auf einen Untergrund (7) mit entsprechenden Leiterbahnen (5, 6 und 8) aufdruckt. Dazu kann sehr effizient ein Standardverfahren in der Platinenherstellung verwendet werden, bei dem normalerweise Lötpaste durch eine Schablone (stencil) auf die Platine aufgebracht wird. Auf gleiche Weise lässt sich nun die drucksensitive Tinte auf die dafür vorbereitete Platine aufdrucken, die an den Stellen, an denen Drucksensoren entstehen sollen bereits ineinander verzahnte Leiterbahnen auffweist (F) um den Widerstand der Tinte zu messen. Auf gleiche Weise kann nun auch eine weitere Schicht aus einem Kunststoff aufgetragen werden, um die Dicke der Sensoren zu erhöhen. Dadurch wächst der Abstand zwischen Oberfläche bzw. Display zum Sensorfeld etwas, sodass eine Berührung des Displays auch gewährleistet werden kann und eine Verformung der Oberfläche möglich ist, ohne dass diese die Basisfläche 7 berührt. Diese Berührung kann auch dadurch vermieden werden, dass die Sensoren in geeigneter Form (quadratisch, sechseckig, etc) so eng nebeneinander angebracht werden, dass die Tinte (9) selbst die Oberfläche bildet. Dann ist im Falle der Verwendung als Touchpad eine zusätzliche Oberfläche nicht nötig. Durch dieses Verfahren kann die Herstellung der Drucksensorik hervorragend und äußerst preiswert in den Herstellungsprozess der auswertenden Elektronik integriert werden.
  • Die Sensorik lässt sich auch komplett im Printverfahren herstellen, indem auch die Leiterbahnen (11 und 13) mit einer Substanz bzw. "Tinte" die einen unveränderlichen und möglichst niedrigen elektrischen Widerstand hat in einem üblichen Druckverfahren auf eine Basisfläche gedruckt wird.
  • Es wird zunächst ein Array von Sensorfeldern (11) mit dazugehörigen Leiterbahnen auf eine Basisfläche (10) Aufgedruckt. Nun wird die Tinte (12) mit dem unter Druck veränderlichen Widerstand auf die Sensorflächen (11) aufgedruckt. In einem weiteren Druckvorgang werden die Sensorflächen (13) mit den entsprechenden Leiterbahnen aufgebracht. Da die Tinte (12) die Sensorfläche (11) vollständig umschliesst, kann kein Kurzschluss zwischen der oberen und unteren Sensorschicht entstehen. Der Widerstand kann nun über die Aktive Fläche (Aw) gemessen werden.
  • Auf diese Art lassen sich auf nahezu jeder Basisfläche Sensoren aufbringen. Sollte die Basisfläche elektrisch leitend sein muss zunächst eine isolierende Schicht aufgetragen werden. Dies kann ebenfalls im Druckverfahren oder auf eine andere geeignete Methode geschehen. Ggf. ist eine isolierende Schicht auch so oberhalb der Sensorik und der Leiterbahnen anzubringen, dass kein elektrischer Kontakt zu dem berührenden Gegenstand hergestellt werden kann.

Claims (23)

  1. Touchscreen oder Touchpad dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Berührung eines Fingers oder eines anderen Gegenstandes auf einer flexiblen Fläche durch ein Array von Drucksensoren ermittelt wird, die sich nicht nur am Rand der Fläche befinden, sondern über die gesamte Fläche verteilt den Druck, der auf die jeweilige Stelle wirkt, messen.
  2. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Drucksensoren resisitive Drucksensoren verwendet werden.
  3. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Drucksensoren resisitive Drucksensoren auf Basis eines Materials, welches unter Druck seinen elektrischen Widerstand verändert, verwendet werden.
  4. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoren in einem Printverfahren hergestellt werden, bei dem das Material, welches unter Druck seinen elektrischen Widerstand ändert auf eine Basisfläche, die bereits mit geeigneten Leiterbahnen versehen ist (Platine) aufgedruckt wird.
  5. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass auch die Leiterbahnen in einem Printverfahren auf eine Basisfläche aufgedruckt werden.
  6. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorflächen verschränkte Leiterbahnen verwendet werden auf welche die um den zu messenden Widerstand und damit die Störanfälligkeit zu reduzieren
  7. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume mit Leitenden Flächen versehen werden, die mit der elektrischen Masse der Widerstandsmessungselektronik verbunden sind, um elektrische Störeinflüsse zu minimieren
  8. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 4–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik auf flexible oder starre, nicht leitende Basisflächen aufgedruckt wird, insbesondere Kunststoffe, Textilien, Papier oder Pappe
  9. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 4–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik auf flexible oder starre leitende Basisflächen aufgedruckt wird, insbesondere leitende Kunststoffe, Metalle und Metallfolien, indem zunächst eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht wird,
  10. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 3 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Schicht als oberste Schicht auf das Sensorarray aufgebracht wird um die Sensorik elektrisch und mechanisch zu schützen
  11. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 3 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Material welches unter Druck seinen elektrischen Widerstand ändert vollflächig verwendet wird, sodass das Aufbringen einer Oberfläche gemäss Anspruch 10 unnötig wird
  12. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Drucksensoren kapazitive Drucksensoren verwendet werden!!!!
  13. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren verwendet werden, welche die Verformung der Fläche messen
  14. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass Verformungssensoren verwendet welche die Entfernung des Sensors zur Fläche messen
  15. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass Verformungssensoren verwendet werden die direkt auf der Rückseite des Displays befestigt oder gemäß Anspruch 5–12 aufgedruckt werden
  16. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die exakte Position der Berührung dadurch ermittelt wird, dass aus der Druckverteilung der Sensoren nach dem Hebelgesetz und unter zusätzlicher Kenntniss der Flexibilität der Fläche die Position interpoliert werden kann.
  17. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Flexibilität der Fläche ein lokales Maximum der Sensoren ausgewertet wird, die der Berührung am nächsten liegen.
  18. Touchscreen oder Touchpad nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass weitere Berührungen dadurch differenziert werden können, dass durch jede weitere Berührung ein zusätzliches lokales Maximum entsteht, sofern die weitere Berührung in ausreichendem Abstand erfolgte. Der ausreichende Abstand der Berührungen definiert sich über den Abstand der Sensoren, der Messgenauigkeit der Sensoren und der Elastizität der Oberfläche.
  19. Touchscreen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche aus einem Display besteht, welches möglichst dünn und somit möglichst flexibel ist
  20. Touchscreen nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Display um ein roll-, falt-, knick oder verbiegbares Display handelt
  21. Touchscreen nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoren in Form von Verformungssensoren direkt auf dem flexiblem Display angebracht sind, insbesondere auch durch die in den Ansprüchen 5–12 ausgeführte Druckverfahren
  22. Touchscreen nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Display um ein TFT Display, ein OLED Display, ein Plasma Display, ein bistabiles bzw. omnistabiles Display (z. B. e-ink) bzw. s. g. elektronisches Papier oder ein LCD Display handelt
  23. Touchscreen nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Drucksensoren in transparenter Bauweise vor dem Display befinden
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