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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung von Berührungen
auf einer Trägerplatte,
welche aus einem isolierenden Material besteht, wobei auf der Trägerplatte
mindestens ein, die Berührung der
Trägerplatte
detektierender Sensor angeordnet ist, welcher mit einer Auswerteelektronik
verbunden ist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur
Erfassung von Berührungen.
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Gattungsgemäße Anordnungen
zur Erfassung von Berührungen
auf einer Trägerplatte
sind als Touchscreens bekannt.
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Der
Touchscreen ist ein intuitives Eingabemedium, was dem Benutzer die
Verwendung von Computern bzw. Software ohne größere Einarbeitung ermöglicht.
Bekannt sind diese beispielsweise von Bankautomaten und Eingabeterminals.
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Um
die Berührung
zu erfassen, werden verschiedene Sensortechnologien verwandt. Die
Sensoren sind dabei auf einer Glasplatte angeordnet, hinter welcher
mittels eines Displays eine Anzeige erzeugt wird. Gängige Touchscreen
Technologien sind analog resistiv, kapazitiv oder SAW (Surface Acoustic Wave).
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Bei
einer kapazitiven Touchscreen Technologie ist die Bedienung nur
durch die Berührung
mit dem Finger möglich.
In einer bekannten Ausführungsform
ist ein Glassubstrat mit einer Beschichtung aus einem Metall-Oxid
versehen, welches wiederum mit einer Glasschicht geschützt ist.
Am Rand der Metallschicht sind Elektroden angebracht. Da die Elektroden
auf Grund ihrer Ausbildung aus einem Metall optisch nicht durchdurchlässig sind,
stören diese
normalerweise die Anzeige. Sie sind deshalb an den äußeren Rändern der
Glasplatte angeordnet.
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An
jedem der vier Eckpunkte wird eine Rechteckspannung angelegt, die
ein elektrisches Feld erzeugen. Durch die Berührung der Glasplatte wird ein
Strom generiert. Eine Auswerteelektronik bestimmt aus diesem Stromfluss,
an welcher Stelle die Berührung
stattgefunden hat. Diese Anordnung ist sowohl in ihrer Herstellung
als auch in der Positionsauswertung des Stromes sehr aufwendig.
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Die
DE 197 44 791 A1 offenbart
eine Anordnung für
eine kapazitive Tastatur. Die Tastatur weist einen kapazitiven Sensor
auf, welcher aus zwei transparenten, dielektrischen Schichten besteht,
zwischen welchen transparente Leiterzüge angeordnet sind. Diese Leiterzüge sind
auf ein Glassubstrat aufgedampft und bilden eine durchsichtige Tastatur.
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Aus
der
DE 100 11 645
A1 ist ein Berührungsschalter
mit einem LC-Display bekannt, wobei das LC-Display zwei parallele,
aufeinander liegende Glasplatten aufweist, zwischen denen leitfähige und mit
Anschlüssen
versehene Schichten zur Darstellung einzelner Segmente des LC-Displays
angeordnet sind. Unterhalb der Oberfläche des LC-Displays ist mindestens
ein Sensorelement des Berührungsschalters
angeordnet. Der Berührungsschalter
wird durch Berühren
der Oberfläche
des LC-Displays oberhalb des Sensorelementes betätigt.
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Die
DE 103 59 890 A1 offenbart
ein Touch-Panel für
eine Anzeigevorrichtung, welches ein oberes und ein unteres Substrat
aus PET-Filmen aufweist, auf welchen ein sichtbarer Bereich und
ein unsichtbarer Bereich ausgebildet sind. Transparente Elektroden
sind an der Rückseite
des oberen Substrates des Touch-Panels ausgebildet, wobei die Elektroden
im nicht sichtbaren Bereich angeordnet sind. Die Auswerteelektronik
ist auf einer Leiterplatte an der Anzeigevorrichtung selbst angebracht.
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Die
DE 10 2006 043 665
A1 zeigt einen kapazitiven Berührungssensor, bei welchem auf
der Oberfläche
eines durchsichtigen Substrates auf der einen Seite eine Schreibelektrode
angeordnet ist, während
auf der anderen Seite des Substrates eine Leseelektrode befestigt
ist. Der Sensor ist mit einer durchsichtigen Abdeckung versehen.
Die Auswerte- und Ansteuerelektronik ist außerhalb des Berührungssensors
angeordnet.
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Aus
der
WO 2004/001968
A1 ist eine kapazitive Sensorstruktur bekannt. Der Touch
Screen besteht aus einem Sensor, der auf einer ersten Glasplatte
angeordnet ist, wobei der Sensor mit einer Abdeckfolie bedeckt ist,
die wiederum mit einer zweiten Glasplatte bedeckt ist.
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Die
EP 1 544 178 A1 offenbart
ein transparentes Sensorelement mit einer transparenten Elektrode,
wobei die transparente Elektrode auf einem transparenten Substrat
angeordnet ist und mit einer ersten Schicht beschichtet ist, welche
einen geringeren Brechungsindex aufweist, an welche sich eine zweite
Schicht mit einem höheren
Brechungsindex anschließt.
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Aus
der
EP 1 814 227 A2 ist
eine Bedieneinrichtung für
ein Elektrogerät
bekannt, bei welchen ein LC-Display aus zwei Platten besteht, die
mit einer transparenten Abdeckung bedeckt sind. Ein Sensorelement
kann dabei an der Unterseite der Abdeckung aufgebracht sein. An
der Oberseite der unteren Platte des LC-Displays ist ein Halbleiterchip
angebracht. Das LC-Display bildet somit mit dem Halbleiterchip eine
Baueinheit.
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Ein
Teilnehmergerät
eines Funkkommunikationssystems ist in der
DE 100 50 598 A1 offenbart. Dabei
ist eine berührungsempfindliche
Folie so um ein Display angebracht, dass das Display zur Informationsdarstellung
weitgehend frei bleibt. Die berührungsempfindliche
Folie ist separat neben dem Display auf dem Gehäuse angeordnet.
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Die
DE 29 10 451 A1 offenbart
eine Schalttafel mit kapazitiven Berührungstasten und ein Verfahren
zu deren Herstellung. Dabei werden elektrisch leitende Berührungstasten
auf einer Oberfläche
einer festen dielektrischen Platte aufgebracht. Auf einer davon
getrennten flexiblen Kunstharzfolie werden elektrisch leitende Gegenflächen und
elektrische Leitungen aufgebracht. Die Paare von voneinander getrennten
Gegenflächen
und Leitungen werden auf der dünnen
Folie aus einem Polyester-Material durch Sieb- oder Schablonendruck
aufgebracht.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zur
Erfassung von Berührungen
auf einer Trägerplatte
anzugeben, welche einfach herzustellen ist und bei welcher die erzeugten
Ströme
einfach auszuwerten sind.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Sensor direkt im Bereich
eines Displays angeordnet werden kann, ohne dass die Anzeige durch
den Sensor gestört
wird. Der Benutzer nimmt nur das Display, aber nicht den Sensor
war. Durch eine Vielzahl von solchen transparenten Sensoren, die über die gesamte
transparente Fläche,
hinter welcher die Anzeige positioniert ist, verteilt sind, kann
ohne großen Auswerteaufwand
durch die Auswertelektronik festgestellt werden, an welcher Position
die Trägerplatte berührt wurde,
da der dahinter liegende Sensor ein positionsabhängiges Signal an die Auswertelektronik liefert.
Auf eine komplizierte und aufwändige
Auswertesoftware kann verzichtet werden.
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Vorteilhafterweise
ist die mit dem Sensor verbundene Auswerteelektronik auf der Rückseite
der Trägerplatte
außerhalb
des durchsichtigen Bereiches angeordnet. Somit erhält man eine
kompakte Anordnung, welche Anzeige und Elektronik in einem Modul integriert.
Lange Verbindungsleitungen zwischen Sensor und Auswerteelektronik
entfallen.
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Vorteilhafterweise
ist der Sensor ein kapazitiver Sensor, bei welchem eine transparente
Sensorelektrode rückseitig
an der Trägerplatte
befestigt ist. Die zweite Sensorelektrode wird dabei vom Finger des
Benutzers gebildet. Kapazitive Sensoren dieser Ausgestaltung haben
eine hohe Beständigkeit
und Zuverlässigkeit
und bieten eine hohe optische Transparenz.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weist die transparente Sensorelektrode
des kapazitive Sensors eine Schichtdicke von annähernd 100 μm auf. Solche Sensorelektroden
sind einfach mittels Dickschichttechnik, insbesondere Siebdrucktechnik herstellbar
und besitzen trotz geringer Schichtdicke eine hohe Reaktionsfähigkeit.
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Um
bei einer so geringen Schichtdicke der Sensorelektrode ein ausreichend
genaues und großes
Ausgangssignal zu erhalten, weist die Sensorelektrode des kapazitiven
Sensors ein Netz von elektrisch leitenden Verbindungen auf. Durch
ein solches filigranes Netz wird erreicht, dass der Finger zuverlässig detektiert
wird und ein ausreichend großer Meßstrom fliessen
kann.
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In
einer Ausgestaltung ist der durchsichtige Bereich annähernd mittig
auf der Trägerplatte
angeordnet. Der durchsichtige Bereich liegt immer dort, wo die zu
bedienende Anzeige angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise
ist die mit dem Sensor verbundene Auswerteelektronik auf der Rückseite
der Trägerplatte
außerhalb
des durchsichtigen Bereiches angeordnet. Somit erhält man eine
kompakte Anordnung, welche Anzeige und Elektronik in einem Modul integriert.
Lange Verbindungsleitung zwischen Sensor und Auswerteelektronik
entfallen.
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Auf
Grund der kurzen Wege ist die Sensorelektrode über eine Verbindungsleitung
direkt mit der Auswerteelektronik verbunden. Auf zusätzlichen Schaltungsaufwand
kann verzichtet werden. Die Leitung führt vom transparenten Bereich
direkt zur Auswerteelektronik, die außerhalb des transparenten Bereiches
auf der Trägerplatte
angeordnet ist.
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Eine
hervorragende Lichtdurchlässigkeit
erhält
man dadurch, dass die Trägerplatte
eine Glasplatte ist, die außerhalb
des durchsichtigen Bereiches mit einem vorgegebenen Muster bedruckt
ist. Die Glasplatte besitzt eine ausreichende Stabilität um Auswertelektronik,
Displayansteuerelektronik und die Sensorelektroden zu tragen. Das
Druckmuster macht die auf der Rückseite
der Glasplatte angeordnete Elektronik für den Betrachter unsichtbar. Darüber hinaus
lässt sich
eine Glasplatte auf Grund ihrer Robustheit auch einfach in Dickschichtprozessen
zur Herstellung der Sensorelektroden einsetzen. Die glatte, gleitfähige Oberfläche zeichnet
sich durch eine dauerhafte Strapazierfähigkeit aus.
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In
einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Sensorelektrode für einen Sensor zur Erfassung
von Berührungen
auf einer Trägerplatte
nach Anspruch 1 mittels eines Siebdruckverfahrens gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 8 angegeben.
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Vorteilhafterweise
besteht die Paste aus einem Polycarbonat oder einem Polyester.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Verfahrensbedingungen
für die
Trocknung an die verwendeten Materialien angepaßt.
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Bei
der Verwendung einer Paste aus Polycarbonat mit einer Schichtdicke
kleiner als 100 μm oder
einem amorphen Polyester wird die Paste bei einer Temperatur 70–90°C in einem
Zeitraum von 25–40
Minuten getrocknet.
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Verwendet
man hingegen eine Paste aus Polycarbonat mit einer Schichtdicke
größer als
100 μm oder
aus Polyester, wird die Paste 10–20 Minuten bei einer Temperatur
von 100–140°C getrocknet.
Auf Grund dieses Verfahrens lassen sich die Sensorelektroden schnell
und einfach herstellen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Möglichkeit dass mehrere Schichtfolgen
nacheinander aufgebracht werden, wobei bei einer Abfolge von mehreren
Schichten der Paste, jede Schicht nach dem Aufbringen getrocknet
wird.
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Die
Erfindung läßt zahlreiche
Ausführungsformen
zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren
näher erläutert werden.
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Es
zeigt:
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1:
Seitenansicht eines kapazitiven Touchscreens
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2:
Frontseite eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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3:
Rückseite
des Ausführungsbeispieles der
Erfindung
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4:
elektrischer Aufbau eines Touchscreens
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5:
Gestaltung der Sensorelektroden
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In 1 ist
ein Touchscreen dargestellt, welcher auf der Basis eines kapazitiven
Sensors arbeitet. Auf der Rückseite
einer Glasplatte 1 sind drei Sensorelektroden 2, 3,
und 4 angeordnet. Eine Hand 5 berührt die
Glasplatte 1 auf der Vorderseite. Die Hand 5 stellt
dabei eine Platte eines Kondensators dar. Durch die Berührung der
Hand 5 auf der Glasplatte 1 nähert sich diese Platte einer
der drei rückseitig
auf der Glasplatte befindlichen Sensorelektroden 2, 3, 4 an
und bildet mit der Sensorelektrode 2, 3, 4,
welche dem Berührungspunkt
gegenüber
liegt, einen Kondensator. In 1 besteht
der Kondensator aus der Hand 5 und der Sensorelektrode 3.
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Ein
kapaziver Sensor arbeitet bekanntermaßen nach dem Prinzip, dass
zwei Platten einen elektrischen Kondensator bilden, von denen eine
durch den zu messenden Effekt verschoben wird. Dadurch ändert sich
der Plattenabstand und somit die elektrisch meßbare Kapazität. Durch
Bewegung der Ladungsträger
fließt
durch die Sensorelektrode 3 ein Strom, der an eine in 1 nicht
weiter dargestellt Auswerteelektronik weitergeleitet wird.
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In 2 ist
die Frontseite des kapazitiven Touchscreen dargestellt. Die Glasplatte 1 ist
im ersten Bereich 6 in ihrer Mitte vollständig transparent, während der
den Bereich 6 umschließende
zweite Bereich 7 mit einem vorgegebenen Muster bedruckt ist.
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Auf
der dem Benutzer abgewandten Rückseite
der Glasplatte 1, welche in 3 dargestellt
ist, befinden sich in dem Bereich 7, welcher auf der Frontseite
bedruckt und daher undurchsichtig ist, Auswertelektroniken 8 und 9,
welche sich entlang dem transparenten Bereich 6 erstrecken,
die aber von der Frontseite der Glasplatte 1 auf Grund
des darauf aufgebrachten Druckes nicht sichtbar sind.
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Innerhalb
des transparenten Bereiches 6 sind in zwei Reihen transparente
Sensorelektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a,
und 4b befestigt.
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Da
die Sensorelektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, und 4b vollständig lichtdurchlässig sind,
sind sie ebenfalls von dem Benutzer, welcher der Frontseite der
Glasplatte 1 gegenübersteht,
nicht wahrnehmbar. Jede Sensorelektrode 2a, 2b, 3a, 3b, 4a,
und 4b ist mit jeweils einer elektrischen Leitung 10, 11, 12, 13, 14, 15 mit
der Auswerteelektronik 8 bzw. 9 verbunden.
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Dabei
ist die Sensorelektrode 2a über die Leitung 10,
die Sensorelektrode 3a über
die Leitung 11 und die Sensorelektrode 4a über die
Leitung 12 mit der Auswerteelektronik 9 verbunden,
während
die Sensorelektrode 2b über
die Leitung 13, die Sensorelektrode 3b über die
Leitung 14 und die Sensorelektrode 4b über die
Leitung 15 an die Auswerteelektronik 8 führen.
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Alle
Bestandteile der elektrischen Schaltung des Touchscreensystems zeigt 4.
Zwischen den Auswerteelektroniken 8 und 9 ist
ein Display 16 angeordnet, welches sich in einer Gesamtbaueinheit hinter
dem, die transparenten Sensorelektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a,
und 4b tragenden transparenten Bereich 6 der Glasplatte 1 befindet.
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Die
Auswerteelektroniken 8 und 9 sind mit einer Displayansteuerelektronik 17 und
mit einer Schnittstelle zu einer externen Steuereinrichtung 18 verbunden.
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Die
Anzahl der Sensorelektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a und 4b ist
von der Größe des Displays 17 abhängig und
richtet sich somit nach dem konkreten Anwendungsfall.
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Die
in 3 gezeigten Sensorelektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a,
und 4b sind aus transparenten Material und somit nicht
sichtbar. Sie werden im Siebdruckverfahren auf den transparenten
Bereich 6 der Glasplatte 1 in Form von Sensorpads
aufgebracht. Dabei wird eine transparente Paste verwendet, die ebenfalls
elektrisch leitfähig
ist. Als Paste werden Polycarbonate oder Polyester verwendet.
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Vor
Gebrauch müssen
die Pasten gerührt und
somit elastisch gemacht werden. Mit Hilfe einer Schablone werden
die Sensorelektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a,
und 4b auf den rückseitigen
Bereich 6 der Glasplatte 1 in einem sehr dünnen Film
aufgetragen. Nach dem Entfernen der Schablone werden die so erhaltenen
Sensorstrukturen in einem Ofen getrocknet.
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Werden
als Paste dünne
Filme aus Polycarbonat mit weniger als 100 μm bzw. ein amorphes Polyester
verwendet, so werden sie 30 Minuten lang bei 80°C getrocknet.
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Ist
die Polycarbonatschicht dicker als 100 μm oder wird eine normale Polyesterfolie
verwendet, betragen die Trocknungsbedingungen 15 Minuten bei 130°C.
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Mit
den Pasten BAYTRON S V 3 von der Firma Bayer AG und AEROSIL der
Firma Degussa wurden erfolgreich Versuche durchgeführt.
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Mittels
der Schablone lassen sich vielfältige Sensorelektrodenformen
erzeugen. 5 zeigt einige Beispiele für diese
Sensorpads. In 5a ist eine rechteckige
Sensorelektrode 2a dargestellt, bei welcher die Paste in
einzelnen Abschnitten kreuzförmig aufgetragen
ist und somit entsprechende leitende Abschnitte 19 bildet.
Wichtig ist dabei, dass die leitenden Abschnitte 19 so
klein gestaltet sind, dass der Finger des Benutzers bei der Berührung auf
der Glasplatte mehrere dieser leitenden Abschnitte 19 überdeckt,
um einen entsprechend großen
Strom zu erzeugen.
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Eine
andere Ausgestaltung der Sensorelektrode 2a ist in der 5b gezeigt. Die Sensorelektrode 2a ist
kreisrund und flächig
auf die Glasscheibe 1 aufgebracht. Auf Grund der dünnen Schichtdicke
der Paste bilden sich unsymmetrisch viele kleine elektrisch leitende
Abschnitte 19, die die Ladungsverschiebung detektieren
und einen äquivalenten
Strom über
die Leitung 10 an die Auswerteelektronik 9 weiterleiten.
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Eine
andere Gestaltung der Sensorelektroden 2a, 3a,
und 4a ist in 5c zu sehen.
Jede Sensorelektrode 2a, 3a und 4a ist
rechteckig gestaltet, wobei die elektrisch leitenden Abschnitte 19 gitterartig
verteilt sind. Mit einer solchen Struktur wird sichergestellt, dass
die Berührung
des Fingers mehrere dieser elektrisch leitenden Abschnitte 19 umfasst
und somit durch die Sensorelektrode gut erfaßt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Glasplatte
- 2
- Sensorelektrode
- 2a
- Sensorelektrode
- 2b
- Sensorelektrode
- 3
- Sensorelektrode
- 3a
- Sensorelektrode
- 3b
- Sensorelektrode
- 4
- Sensorelektrode
- 4a
- Sensorelektrode
- 4b
- Sensorelektrode
- 5
- Berührender
Finger
- 6
- Transparenter
Bereich der Glasplatte
- 7
- Bedruckter
Bereich der Glasplatte
- 8
- Auswerteelektronik
- 9
- Auswerteelektronik
- 10
- Verbindungsleitung
- 11
- Verbindungsleitung
- 12
- Verbindungsleitung
- 13
- Verbindungsleitung
- 14
- Verbindungsleitung
- 15
- Verbindungsleitung
- 16
- Display
- 17
- Displayansteuerelektronik
- 18
- Schnittstelle
zur externen Ansteuerelektronik
- 19
- Elektrisch
leitender Abschnitt der Sensorelektrode