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Fachartikel: Resistive Touchsensoren im Vormarsch. Die Renaissance der Griffeleingabe.

Veröffentlichung in der Fachzeitschrift elektro Automation.

Einleitung
Schon Anfang der 70er Jahre wurden in den USA die ersten brauchbaren resistiven, mit dem Zeigefinger zu bedienenden Touchsensoren entwickelt, die zunächst als Tastaturersatz und dann auch transparent vor CRTs (Bild erzeugende Kathodenstrahlröhren) platziert wurden. Sie lagen damals in Konkurrenz zur Eingabe über Lichtgriffel. Nachteil des dominierenden Lichtgriffels war vor allem, dass er an einem "lästigen" Kabel, das oft brüchig wurde, gehalten werden musste. Und warum sollte man nicht ohne den Griffel direkt mit dem Finger auf den Schirm zeigen und eine Eingabe auslösen können? Der wesentliche technische Vorteil beim Lichtgriffel bestand in dessen weitgehender Unabhängigkeit von Veränderungen der Bildlage und -größe auf dem Schirm. Darin ähnelt diese Technik der heute beim stationären Einsatz von Computern dominierenden Mousetechnologie. Allerdings mit dem Unterschied, dass im Gegensatz zur direkt auf den Bildschirm wirkenden Touchtechnologie - bei der Auswahl eines Objektes mit der Mouse - der Bildschirm nicht durch eine manipulierende Hand teilweise abgedeckt und damit unübersichtlich wird. Dieser Vorteil der Mousetechnologie hat u.a. schließlich zunächst zum weitgehenden Verschwinden des (Licht)griffels als Eingabemedium geführt. Bei Anwendungen in öffentlichen, nicht beaufsichtigten Applikationen wie z.B. Bankautomaten oder bei portablen Geräten, etwa den PDAs, ist allerdings die Anwendung der Mouse schon wegen ihrer Störanfälligkeit praktisch kaum möglich. Hier wird der Nachteil der Abdeckung des Bildschirms bei der Eingabe mit einem Finger oder auch einem Stift in Kauf genommen, weil die Vorteile der interaktiven weitgehendst intuitiven Bedienungsmöglichkeiten überwiegen. Die auf Haltbarkeit getrimmten resistiven Touchsensoren ermöglichen heute vor allem bei transportablen Geräten die punktgenaue Interaktion auf graphischen Oberflächen mit Hilfe eines Griffels.
Probleme der Touchtechnik bei CRT-Displays
Der erfolgreiche Einsatz des Touchscreens erfordert eine möglichst genaue Koordination zwischen den durch die Berührung ermittelten Ort auf dem Touchsensor und dem daruter liegenden Bild. Hierbei standen die beiden Hauptprobleme, nämlich einerseits die Instabilität der Bilderzeugung mit CRTs und andererseits die real erreichbare Auflösung und Linearität der Touchsensoren, einem breiten Einsatz von Touchscreens massiv entgegen. Wesentliche Fortschritte bei den CRTs brachten Sensorflächen in der Bildröhre, die die Regelung der Bildgröße erlauben. Jetzt ist bei der Eingabe über Touchscreens im Wesentlichen nur noch die möglichst verzerrungsfreie Ermittlung der absoluten Koordinaten der Berührungsposition die messtechnische Hauptaufgabe. Bei nicht so hoch aufzulösenden Strukturen wie z.B. die Bedienung von mindestens fingertastengroßen Bedienfeldern einer Touchscreentastatur, werden tastengroße diskrete Schaltflächen benutzt. Da die Schaltflächen und die graphischen Elemente des darunterliegenden Bildes mechanisch starr zueinander koordiniert sind, ist der datentechnische Aufwand zur Abfrage dieser Tastatur relativ gering. So lassen sich auf einem 12" Bildschirm (30 cm Diagonale) mehr als 100 fest definierte Schaltflächen unterbringen, die wie eine diskrete Tastatur bedient werden können. Die Tastenlegenden werden entweder auf eine Papiervorlage gedruckt, die bei Änderungen ausgewechselt wird, oder variable Tastenfelderlayouts werden mit einer graphischen Oberflächen auf einem Bildschirm dargestellt.
Erheblich größeren Aufwand bedeutet es, wenn die unter dem Touchsensor liegende graphische Vorlage aus beliebig gestalteten Objekten bestehen soll, die über den Touch zielgenau angewählt werden müssen. Dann ist es unumgänglich, die Berührungsposition des Fingers (Stiftes) aus sich analog verändernden Messwerten am Touchsensor zu ermitteln. Die interaktive Bedienung des Computers kann über die mittlerweile hoch entwickelten graphischen Oberflächen beinahe vollständig intuitiv mit einem dazu passenden, direkt auf dem Bildschirm wirkenden Eingabemedium erfolgen. Eine derartige Weiterentwicklung ist entscheidend für den erfolgreichen, praktischen Einsatz dieser Technologien.
Verschiedene Touchsensor-Technologien
Abgestimmt auf die äußeren Einsatzbedingungen sind die verschiedensten Sensortechniken entwickelt worden. Bei einer sehr robusten Anordnung wird z.B. von mehreren Seiten Ultraschall durch die gläserne Röhrenoberfläche geleitet und aus der gemessenen Reflektion und Bedämpfung auf den Punkt der Fingerberührung geschlossen. Bei einem anderen stabilen gläsernen Touchsensor wird die beim Drücken entstehende Kräfteverteilung auf mehrere am Rand befindliche Stützpunkte zur Ortbestimmung der Berührung benutzt. Messsingnaldrift z.B. durch Temperaturschwankungen und andere Umwelteinflüsse, werden mit entsprechenden Schaltungstechniken und Programmieraufwand minimiert. Das trifft auch für Touchsensoren zu, die sich zur Ortsbestimmung die kapazitive Veränderung durch den zeigenden Finger zu Nutze machen. Andere Verfahren umgehen die Signaldriftprobleme und beobachten den Raum unmittelbar über der Screenoberfläche durch einen von zahlreichen ringsum angeordneten IR-LEDs erzeugten, scannenden "Infrarotlichtvorhang". Die Fingerposition wird durch Auswertung des Schattenwurfes auf die ebenfalls ringsum angeordneten IR-Sensoren ermittelt. In allen diesen Anordnungen ist die Robustheit der Sensoreinheiten von Vorteil, wie dies z.B. beim Einsatz an Bankautomaten gegen Vandalismus gefordert wird.
Bedingungen für den portablen Einsatz
Wegen des mechanischen Aufwandes, des Gewichts und der hohen Betriebsenergie, eignen sich die zuvor genannten Systeme aber nicht für den Einsatz in portablen, kleineren Geräten. Da das portable Gerät im Normalfall vom Besitzer mit einem großen, persönlichen Interesse an der Erhaltung der Funktionalität betrieben wird, spielt der Schutz gegen Vandalismus praktisch nur eine untergeordnerte Rolle. Hier zählen niedriges Gewicht, hohe Positionsauflösung, hohe Transparenz und geringer Stromverbrauch zu den entscheidenden Faktoren. Vor allem ist eine hohe Lebensdauer des Touchsensors beim mittlerweile sehr beliebten, zielgenauen Bedienen mit einem Griffel (Stift) extrem wichtig. Der Durchbruch für die Touchscreen-Technik in portablen Applikationen wurde mit dem Aufkommen der extrem leichten und raumsparenden graphischen LC-Displays eingeleitet. Wegen der Trägheit der Veränderungen an den Pixeln des LCDs entfällt der Lichtgriffeleinsatz gänzlich. Bei stationären Bürocomputern mit LCD-Monitoren dominiert die Mousetechnik. Bei Maschinensteuerung und portablen Geräten, werden die großen Vorteile der sicheren Bedienung über graphische Oberflächen enbenfalls dringend benötigt und genutzt. Dabei ist die Verwendung der Mouse aber eher lästig und störanfällig. Hier haben die vollständig planen LC-Bildschirme in Kombination mit modernen, folienbasierten, resistiven Touchsensoren - mit ihrer Möglichkeit über Finger oder Griffel bedient zu werden - als sogenannte Touchscreens ihre bevorzugten Einsatzfelder.
Resitive Touchsensoren: Die 4-Draht Technologie
Bei der einfacheren 4-Draht Technologie besitzt die tragende Glasscheibe zwei balkenartige Elektroden in x-Richtung, zwischen denen eine elektrisch homogene, transparente Widerstandsleitschicht aufgedampft und kontaktiert ist. Darüber liegt, durch kleine Spacer auf geringem, isolierendem Abstand gehalten, eine dünnere flexible Folie, die in y-Richtung ebenfalls mit Balkenelektroden und Widerstandsschicht versehen ist. Wird z.B. eine Messspannung an das x-Elektrodenpaar der Glasplatte gelegt, so entsteht auf der Widerstandsfläche eine elektrische Potentialverteilung. Wird nun die Touchoberfläche gedrückt, so entsteht ein örtlicher elektrischer Kontakt zwischen der Glasscheibe und der Folie und greift das hier herrschende elektrische Potential ab, dass jetzt über die y-Elektroden der Folie an einen A/D-Wandler geleitet und dort digitalisiert erfasst wird. Im nächsten Augenblick wird der Abgriff vertauscht. Die Messspannung wird an die y-Elektroden der flexiblen Folie gelegt. Diese erzeugt nun in y-Richtung eine Potentialverteilung, die an den x-Elektroden der tragenden Glasplatte abgenommen und digitalisiert werden kann. Dieses "Scannen der Berrührungsposition" geschieht fortlaufend über den Touchscreen-µ-Controller, so dass bei Verwendung eines Stiftes auch graphische Eingaben wie die Erkennung von Handschrift und die Erfassung von Unterschriften möglich werden. Langfristige Nachteile dieser 4-Draht-Technologie sind vor allem bei der Bedienung mit einem Stift zu sehen, der die Deckfolie verformt und möglicherweise verletzt, so dass sich die Potenzialverteilung in dieser Folie verschiebt und ihre Homogenität zerstört wird. Daher ist beim 4-Draht Touchsensor die Lebensdauer üblicherweise auf ca. 1 Million örtliche Berührungen begrenzt.
Langlebige Touchsensoren durch 7-Draht-Technologie
Eine wesentliche Lebensdauer-Erhöhung wird dadurch erreicht, dass die auf der flexiblen Folie befindliche leitende Schicht nur zum Abtasten des Potentials am Berührungspunkt verwendet wird. Ausserden werden zur Ortbestimmung verschiedene Potentialverteilungen benützt. Zur Erzeugung dienen mehrere an den Kanten der tragenden Glasplatte aufgetragene Elektroden, die auch zum Abfragen der Korrektur der Messung dienlicher Referenzspannungen benutzt werden. Solche langlebigen Touchsensoren mit einer sich selbst korrigierenden 7-Draht Technologie werden von GeBE Computer und Peripherie GmbH in Germering in verschiedensten Grössen zwischen 5,7" und 17" - auch kundenspezifisch - zusammen mit dem passenden Controller angeboten. Mit diesen 7-Draht-Touchsensoren ist es dem Hersteller Fujitsu gelungen, gegenüber der 4-Drahttechnologie eine Steigerung der Lebenserwartung um das zehnfache zu erreichen. Die Auflösung in Zusammenarbeit mit dem zur Verfügung stehenden Touchsensor-Controller geht herunter bis auf etwa 0,1 mm. Hervorzuheben ist außerdem die hohe Transparenz der Sensoren, die in allen reflektierenden Grenzflächen mit optisch entspiegelnden Schichten versehen sind. Die Verletzungsgefahr mit dem Schreibstift wird durch eine zusätzliche harte Codierung auf der Deckfolie entschärft. Kleine Handgeräte verfügen heute über Touchsensoren, die nicht nur über dem LC-Display liegen, sondern darüber hinaus auch Bereiche mit sogenannten festen Softkeys bilden. Somit kann bei diesen Geräten kostengünstig auf die Eingabe über diskrete Tasten vollständig verzichtet werden.