Resistive vs. Kapazitive Touchscreens

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Name des Autors : David Kahl
Titel der Arbeit: "Resistive vs. Kapazitive Touchscreens"
Hochschule und Studienort: FOM Essen


Inhaltsverzeichnis


1 Abkürzungsverzeichnis

AbkürzungBedeutung
DSTDispersive Signal Technologie
ITOIndiumzinnoxid
LEDLight Emitting Diode
PCTProjected Capacitive Touchscreen
SAWSurface Acoustic Wave

2 Einleitung

Mit dem Touchscreen wurde ein neues Eingabegerät mit einer enorm einfachen Bedienbarkeit geschaffen. Benutzereingaben können durch Berührung des Bildschirms realisiert werden. Das Eingabemedium ist somit gleichzeitig das Ausgabemedium.[1] Statt den üblichen Eingabegeräten wie Tastatur und Maus wird mit dem Finger oder einem speziellen Eingabestift gearbeitet.[2] Die Technik, die sich dahinter verbirgt ist allerdings nicht neu. Der erste touch sensitive Bildschirm wurde 1971 von Dr. Sam Hurst, dem Gründer von Elographics, heute bekannt als Elo TouchSystems, entwickelt. Der sogenannte „Elograph“ war noch nicht transparent, sollte aber die Grundlage für die modernen Touchscreens von heute werden. 1974 konnte Hurst, mit Elographics den ersten Touchscreen mit transparenter Oberfläche vorstellen. Nach einigen Jahren der Entwicklung konnte Elographics nicht nur das Patent für den ersten Touchscreen sichern, sondern auch 1977, die für lange Zeit am häufigsten verwendete Touchscreen-Technologie, die Five-Wire resistive Technologie.[3]

3 Technologien

Im Laufe der Zeit wurden eine Vielzahl von Technologien unter verschieden Ansätzen entwickelt. Die resistive Technik begründete die Basis und war lange Zeit die am weitesten verbreitete Technologie. Allerdings sind kapazitive Touchscreens, als junge Technologie auf dem Vormarsch.

3.1 Funktionsweise

Im Allgemeinen besteht ein Touchscreen aus drei Elementen. Dem Touchsensor, dem Kontroller und einem Softwaretreiber. Der hinter dem Touchscreen befindliche Bildschirm wird im weiteren Verlauf außen vor gelassen. Der Touchsensor hat in der Regel eine berührungsempflindliche Oberfläche bestehend aus optischem Glas oder einer flexiblen Polyesterschicht. Bei den verbreitesten Technologien fließt Strom durch diese Oberfläche, was bei Berührung einen Spannungs- bzw. Signalwechsel hervorruft, der je nach Technologie anders, zur Ermittlung der berührten Position, verwendet wird.[4] Der Kontroller ist eine PC-Karte, dessen Aufgabe es ist die Benutzereingaben auf dem Sensor zu erfassen damit diese an das Betriebssystem weitergegeben werden können. In der Regel ist diese Karte mit im Monitor verbaut. Der Treiber ist eine Software, die auf dem System installiert und zur Interpretation, der vom Kontroller gelieferten Signale zuständig ist. Die meisten dieser Treiber werden als Mausemulator aufgesetzt und setzen die Berührung des Sensors mit einem Mausklick auf dem dahinterliegenden Bildschirm gleich.[5]

3.2 Resistive Touchscreens

Resistive Touchscreens
Resistive Touchscreens

Bei der resistiven Touchscreen-Technologie wird die berührungsempfindliche Oberfläche genutzt, um ein auf Druck basierendes Verfahren umzusetzen. Alle resistiven Verfahren setzen auf zwei gegenüber liegende, leitfähige Schichten aus Indiumzinnoxid, weiterführend ITO genannt.[6] Die hintere Schicht liegt hier auf einer stabilen Oberfläche, während die Obere auf der Innenseite einer flexiblen, druckempfindlichen Oberfläche liegt. Auf beide ITO-Schichten wird eine geringe Prüfspannung gelegt, die zur Ansteuerung genutzt wird. Aufgrund kleiner Abstandshalter, den sogenannten Spacer-Dots, sind die Schichten voneinander getrennt und es fließt im Ruhezustand kein Strom.[7]

3.2.1 Analog Resistiv

Die Abstandshalter verhindern eine Berührung der ITO-Schichten und erst eine Berührung mit ausgeübtem Druck, stellt einen elektrischen Kontakt zwischen ihnen her. Es entsteht ein elektrischer Widerstand, dessen Einwirkung auf das Spannungsverhältnis, eine Berechnung des Berührpunktes zum Eckenabstand möglich macht. Die entsprechenden Koordinaten werden vom Kontroller nun weiterverarbeitet.[8]

3.2.2 Four-Wire Resistiv

Four-Wire Aufbau
Four-Wire Aufbau
Four-Wire Funktionsweise
Four-Wire Funktionsweise

Die Four-Wire Technologie ist die simpelste Form der resistiven Touchscreen-Technologie. Sie beinhaltet vier Kanäle als Verbindung zum Kontroller, wobei beide ITO-Schichten zur Bestimmung des Berührungspunktes herangezogen werden.[9] Für jede Schicht sind zwei Drähte angebracht, ein Draht für Spannung und ein Draht für die Erdung. Die Drähte sind von gleicher Art, lediglich die Ausrichtung unterscheidet sich zwischen den Ebenen. Zunächst wird eine kleine Ladung von 5 Volt auf die hintere Schicht gegeben. Diese Spannung nimmt linear ab, je weiter sich der Berührungspunkt von der Ursprungskante entfernt. Bei Berührung misst die obere Schicht die lokale Spannung, laut dem Beispiel 2,5 Volt und liefert diesen Wert an den Kontroller.[10] Somit ist die Position auf der X-Achse ermittelt. Anschließend wird der Prozess umgekehrt und die obere Schicht wird mit der Ladung von 5 Volt versehen. Die hintere Schicht übernimmt dann die Messung. Der Kontroller erhält den zweiten Wert und ermittelt daraus die Koordinaten auf dem Display. Zu jeden Zeitpunkt sind nicht mehr als drei Drähte aktiv. Dies sind Erdung, Messung und Ladung.

3.2.3 Five-Wire Resistiv

Five-Wire Funktionsweise
Five-Wire Funktionsweise

Bei der Five-Wire resistiven Technologie wird zur Bestimmung des Berührungspunktes lediglich die untere ITO-Schicht verwendet. Es gibt bei dieser Variante nur einen Draht E an der oberen Schicht, der für die Messung der Ladung zwischen den beiden Schichten verantwortlich ist. Weitere vier Drähte sind mit den Ecken der unteren Schicht verbunden, in der Grafik als A, B, C und D zu erkennen. Der Kontroller setzt nun die Prüfladung von 5 Volt auf die Eckpunkte A und B, während C und D geerdet werden. Die Ladung verteilt sich vertikal über die Schicht, äquivalent zur Four-Wire Methode.[11] Die obere Schicht stellt unter Berührung den Kontakt her und misst die Ladung über den Draht E. Noch während der Berührung wird die Prüfladung auf die Punkte A und C umgelenkt und die Ladung verteilt sich horizontal. Nach einer erneuten Messung hat der Kontroller die benötigten Daten zur Berechnung der Position auf dem Sensor.[12]

3.2.4 Variationen

Um die Leistung der genannten resistiven Verfahrensweisen zu verbessern wurden weitere Varianten entwickelt, die auf deren technische Umsetzung aufbauen. Die Eight-Wire Technik erweitert das Four-Wire Verfahren um vier zusätzliche Sensorpunkte zur Verfeinerung der Messwerte. Vorwiegend sollen umweltbedingte Abweichungen abgeschwächt werden.
Aus der Five-Wire Variante haben sich weitere Ansätze gebildet die auch als Six- und Seven-Wire bezeichnet werden. Bei Six-Wire wird eine zusätzliche dritte Schicht eingebaut, die sich hinter der stabilen Fläche befindet. Seven-Wire wiederum verwendet zwei zusätzliche Sensorpunkte zur Abschwächung umweltbedingter Abweichungen.[13]

3.3 Kapazitive Touchscreens

Kapazitive Touchscreens
Kapazitive Touchscreens

Kapazitive Touchscreens zählen zur zweiten Gruppe der am häufigsten verwendeten Techniken. Die Funktionsweise unterscheidet sich immens vom resistiven Ansatz, obwohl auch hier mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche gearbeitet wird. Die Glasoberfläche ist mit einer ITO-Schicht von geringer Stärke versehen.[14] An den Ecken des Sensors sind Elektroden integriert, die durch Spannung ein gleichmäßiges elektrisches Feld erzeugt.[15] Die Oberfläche ist somit statisch aufgeladen. Eine Berührung mit einem kapazitiven Medium, sprich mit einem Ladung speichernden Material, wie einem Finger, löst einen Ladungstransport aus. Ein Teil der Ladung springt auf das Medium über und es entstehen Ströme, die an den Eckpunkten gemessen werden können. Diese Störung des Feldes enthält die Information an welchem Punkt sie ausgelöst wurde und kann vom Kontroller, anhand der Messwerte ermittelt werden.[16]

Projiziert Kapazitiv
Projiziert Kapazitiv

Die ersten kapazitiven Touchscreens legten nur eine ITO-Schicht auf die Oberfläche. Eine Weiterentwicklung dieser surface-kapazitiven Vorgehensweise wird als projiziert kapazitiv bezeichnet, im weiteren Verlauf der Arbeit PCT genannt.[17] An andereren Stellen wird diese Technik auch als Near Field Imaging bezeichnet.[18]Eingeschlossen von zwei Glassubstraten, befindet sich eine ITO-Schicht mit einem laminierten Sensorenraster aus mikrofeinen Drähten. Über das Raster können die Koordinaten noch genauer lokalisiert werden. Durch die erhöhte Präzision ist es möglich den Sensor mit einem bis zu 18 mm dicken Schutzglas zu verkleiden. Je nach Art der Implementierung kann der kapazitive Einfluss durch nichtleitende Materialien und größere Entfernung zur ITO-Schicht realisiert werden.

3.4 Andere Technologien

Neben diesen Hauptgruppen der Touchscreen Technologie, gibt es noch weitere Lösungen, die mit anderen Herangehensweisen eine Touchfunktion umsetzen. Die Bekanntesten werden hier genannt.

3.4.1 SAW und akustische Systeme

Surface Wave
Surface Wave

Das Surface Acoustic Wave Verfahren nutzt Ultraschall und akustische Pulserkennung zur Lokalisierung des Berührungspunktes. An den Seiten des Displays befinden sich Signalgeber, die horizontal und vertikal Ultraschallwellen versenden. Die Wellen werden von der Oberfläche reflektiert und von der Sensorik auf der gegenüber liegenden Seite gemessen. Berührt ein weiches Medium den Sensor, wird ein Teil der akustischen Energie absorbiert und somit abgeschwächt. Der Kontroller ist nun in der Lage durch die Veränderung der Amplitude, die Position zu ermitteln.[19] Diese Technologie sollte aber nicht verwechselt werden mit anderen, auf akustischen Signalen basierenden Ansätzen. Der sogenannte "Tap Tracker" ist ein solches Verfahren. Bei dieser Technik wird die Laufzeit der Schallwellen, durch an den Ecken angebrachten Mikrofonen gemessen. Die Berührung auf dem Sensor erzeugt ein Berührungsgeräusch und liefert dem Kontroller durch unterschiedliche Laufzeiten bei den einzelnen Mikros, die Position der Berührung. Beide Systeme haben den Vorteil, dass die Oberfläche aus einfachem Glas bestehen kann und somit über eine hohe Transparenz verfügt. Zusätzlich kann bei der Herstellung sehr beständiges Glas verwendet werden, da es nicht nötig ist eine Leitfähigkeit durch das Glas zu erhalten. Des Weiteren erlaubt die Vorgehensweise eine Messung der Z-Achse, sprich die Intensität der Berührung. Je stärker der Druck, desto besser wird die Welle absorbiert. Dies trifft allerdings nur für das Surface Wave Verfahren zu. Negativ fällt auf, dass ein weiches Medium zur korrekten Interpretation der Signale benötigt wird.[20] Dies erschwert eine Anwendung in den industriellen Bereichen. Der Beständigkeit der Trägeroberfläche steht die Anfälligkeit der Signale durch äußerliche Einflüsse gegenüber. Flüssigkeiten und Verunreinigungen auf der Oberfläche verfälschen die Signale.

3.4.2 Optische Systeme

Infrarot Verfahren
Infrarot Verfahren

Bei der optischen Vorgehensweise wird mit einer Infrarot-Matrix, bestehend aus Leuchtdioden und Fotodetektoren, gearbeitet. Statt einer Beschichtung der Oberfläche befindet sich im Rahmen des Displays eine Reihe von LEDs. Diese bestrahlen die Detektoren auf der gegenüberliegenden Seite. Eine Berührung der Oberfläche unterbricht den Lichtstrahl und sorgt somit für einen messbaren Signalabfall.[21] Der Kontroller kann somit den Berührungspunkt lokalisieren. Auch diese Technologie zeichnet sich durch eine hohe Transparenz aus, da keinerlei Beschichtung benötigt wird um das Verfahren umzusetzen. Die Herstellung ist zwar an sich hoch reproduzierbar, allerdings auch sehr kostenaufwendig. Der ausbleibenden Abnutzung der Oberfläche steht eine geringe Lebensdauer der Dioden gegenüber. Dies senkt die allgemeine Verlässlichkeit eines solchen Touchscreens. Weitere Nachteile von optischen Systemen sind ungewollte Aktivierungen. Dazu muss lediglich eine Beeinflussung des Lichtstrahls erfolgen. Die Touchauflösung ist im Vergleich zu anderen Technologien eher als gering zu bezeichnen.

3.4.3 Induktive Systeme

Die induktiven Systeme arbeiten auf elektromagnetischer Basis und kommen theoretisch ohne direkten Bildschirmkontakt aus. Hinter dem Sensor ist eine Leiterplatte installiert die mit einer Vielzahl von Antennenspulen ausgestattet ist. Im, zur Bedienung notwendigen, Eingabestift ist ein Resonanzkreis integriert, der auf die Frequenz der Antennen konfiguriert ist. Die Antennen geben nacheinander Hochfrequenzenergie ab, die im Resonanzkreis des Stiftes eingekoppelt wird. Das Verfahren arbeitet dabei im Sende- und Empfangsmodus. Im Sendemodus wird die Energie von den Antennen an den Stift abgegeben und im Empfangsmodus wieder zurückgeleitet. Die Energie wird von den verschiedenen Antennen mit unterschiedlicher Feldstärke gemessen und gibt somit Rückschluss auf Position und Neigung des Eingabestiftes.[22] Das Verfahren ermöglicht präzise Steuerung und wird vorwiegend von Grafiktabletts verwendet. Da keine mechanische Beeinflussung der Oberfläche nötig ist, kann auf robuste Materialien zurückgegriffen werden. Die Einschränkung der Funktionsweise, die zur Verwendung des Eingabestiftes zwingt, macht diese Technik eher ungeeignet für Touchscreens im eigentlichen Sinn.

3.4.4 DST Systeme

Die Dispersive Signal Technologie, auch Biegewellenverfahren genannt, basiert auf der Messung von Vibration um den Berührungspunkt zu bestimmen. Bei Kontakt mit dem Trägermaterial wird durch Vibration eine Welle erzeugt, die an den Ecken des Sensors, durch piezoelektrische Detektoren gemessen werden können. Zur Analyse der Vibrationswellen sind komplexe Algorithmen nötig, die das Verhalten der Welle entschlüsseln.[23] Der Kontroller führt die nötigen Operationen durch und erhält somit Aufschluss auf den Berührungspunkt. Die Dispersive Signal Technologie eignet sich vor allem für größere Displays wie beispielsweise für Präsentationssysteme. Statt wie die übrigen Verfahren auf Störungen des Ausgangszustandes zu reagieren wird passiv auf eine Eingabe gewartet. Dieser Ansatz macht die Technik widerstandsfähiger auf äußere Einflüsse und Verschmutzungen der Trägeroberfläche. Als Eingabemittel wird alles akzeptiert was eine Vibration auslösen kann. Ruhende Objekte müssen dabei nicht per Algorithmus aus den Signalen entfernt werden. Da sie keine Vibrationsenergie abgeben werden sie schlicht ignoriert.[24]

4 Gegenüberstellung

Trotz der Breite an verschiedenen Touchscreen Technologien wird sich diese Arbeit auf einen Vergleich zwischen nur zwei dieser Technologien beschränken. Die Familie der resistiven Touchscreens bildet den Ursprung dieser Technik und soll daher ein Bestandteil dieser Arbeit sein. Als Technik zur Gegenüberstellung soll die nach dem derzeitigen Stand vielversprechendste Technologie sein. Den kapazitiven Touchscreens wird diese Rolle zugesprochen und sollen im Rahmen dieser Arbeit auf ihre Vorzüge und Nachteile, im direkten Vergleich untersucht werden.

4.1 Technische Aspekte

4.1.1 Evolutionäre Entwicklung

Beide Kategorien haben im Laufe der Zeit Entwicklungen und somit Verbesserungen erhalten. Für beide Verfahren beinhalten diese Verbesserungen zusätzliche Vorteile, sowie die Beseitigung der größten Schwachpunkte.

Der schwerwiegendste Kritikpunkt am Ansatz der ursprünglichen resistiven Technologie, der Four-Wire Technik, ist der, dass die flexible, obere Schicht für die Bestimmung einer der Achsenpositionen direkt verantwortlich ist. Durch die permanente mechanische Belastung dieser Schicht, bedingt durch den normalen Gebrauch, können Mikrorisse in der ITO-Schicht entstehen. Diese Risse beeinflussen die Gleichmäßigkeit und somit die Genauigkeit bei der Positionsberechnung auf der entsprechenden Achse. Als Folge ergibt sich eine geringe Haltbarkeit.[25] Im Durchschnitt wird von lediglich einer Million Berührungen ausgegangen, bis die Abnutzung eine korrekte Positionsbestimmung nicht mehr ermöglicht. 100.000 Berührungen werden bei normaler Nutzung auf einen Zeitraum von wenigen Monaten geschätzt. Eine Verbesserung des Verfahrens zum Eight-Wire ermöglicht zwar die Eingrenzung der Abweichung durch äußere Einflüsse, verhindert aber nicht die Abnutzung der ITO-Schicht. Erst durch das Five-Wire Verfahren wird eine langfristige Verbesserung der Haltbarkeit erzielt.[26] Tests haben ergeben, dass die hintere Schicht durch die stabile Glasoberfläche weitaus widerstandsfähiger ist und somit die erwartete Lebensdauer des Touchscreens erhöht. Laut den Produktinformationen der Elo TouchSystems, erhöht sich die Zahl der Berührungen auf über 35 Millionen bevor eine relevante Abnutzung der ITO-Schicht eintritt[27].

Die surface kapazitiven Touchscreens sind immer von dem Phänomen des Handschatten Effekts betroffen. Dies bewirkt das Registrieren einer Touchberührung durch die, über dem Sensor schwebende Hand des Anwenders. Die Elektroden, die das elektrische Feld erzeugen, werden gleichzeitig zur Positionsbestimmung gemessen. Somit ist der Sensor auf der gesamten Fläche berührungsempfindlich und das Feld kann bereits durch die entfernte Hand gestört werden. Das Resultat sind Fehleingaben durch falsch interpretierte Messungen des Kontrollers. Dies führt auch zu der Einschränkung, dass einfache kapazitive Touchscreens nicht mehr als eine einzelne Berührung gleichzeitig registrieren können. Multi-Touch ist somit nicht möglich.[28] Ein weiterer Nachteil dieser Variante liegt an der Beschichtung selbst. Wie die meisten Technologien arbeitet auch das kapazitive Verfahren mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche. Die ITO-Schicht befindet sich direkt an der Oberfläche und ist somit der Abnutzung durch den regelmäßigen Gebrauch ausgesetzt. Die Haltbarkeit liegt mit 160 Millionen Berührungen dennoch weit über der Lebenserwartung resistiver Touchscreens. Jedoch neigen die kapazitiven Sensoren durch die Beeinflussung von Außen zu Abweichungen, die eine regelmäßige Kalibrierung erfordert. Eine Weiterentwicklung der kapazitiven Technologie zur PCT Verfahrensweise, beinhaltet eine Verbesserung in vielerlei Hinsicht. Durch die Aufteilung des Sensors in ein Raster kann die Berührung simultan an verschiedenen Punkten registriert werden. Des Weiteren verbirgt sich die ITO-Beschichtung hinter einer mechanisch unempfindlichen Schutzverkleidung. Dadurch entfällt eine Abnutzungserscheinung durch Berührung komplett.[29]

4.1.2 Konstruktionsbedingte Eigenschaften

Das schlagkräftigste Argument für die Verwendung eines resistiven Touchscreens ist nach wie vor die kostengünstige Herstellung. Gegenüber der einfachen kapazitiven Lösung bietet das resistive Verfahren aber noch weitere Vorteile, die durch die technische Umsetzung ermöglicht werden. Sie weisen eine hohe Schmutzbeständigkeit auf, die gegen verschüttete Flüssigkeiten, angreifende chemische Reiniger und andere äußere Einflussmöglichkeiten wie Fett, Feuchtigkeit, Staub und Schmutz stand hält.[30] Auch kann im direkten Vergleich mit der kapazitiven Technik eine geringe Leistungsaufnahme gemessen werden. Die Präzision bei der Positionsermittlung kann immer noch als gut bezeichnet werden. Durch ein Design ohne Luftausgleich zwischen den Lagen, kann der Zwischenraum der ITO-Schichten sehr gering gehalten werden. Dies bietet den Vorteil dass selbst in Umgebungen mit hohen Temperaturen gearbeitet werden kann. Durch die geringe Luftmenge sind Temperaturen von bis zu 80 Grad möglich, ohne dass es zu einem sogenannten Pillowing kommen kann. Dabei handelt es sich um eine Aufwölbung der ITO-Beschichtung durch wärmebedingte Luftausdehnung im Inneren des Sensors.[31] Ein Vor- und Nachteil ist die druckbasierte Auslösung des Berührungsereignisses. Zum einen kann ein resistiver Touchscreen nicht unter dem Handshadow-Effekt leiden und zum anderen macht es die Bedienung medienunabhängig. Um den Druck auszuüben kann jegliches Medium verwendet werden. Im Gegenzug bedeutet dies, dass die flexible Polyesterschicht durch die mechanische Belastung nach und nach unter Abnutzungserscheinungen leidet. Die geringe Stärke der ITO-Schichten macht das Material zwar transparent, hat aber mit 70-80% eine durchaus geringere Lichtdurchlässigkeit als kapazitive Touchscreens.

Die kapazitive Verfahrensweise weißt auch in ihrer einfachen Form einige Vorteile auf und zeigt warum sie als der größte Herausforderer auf dem Markt gilt, obwohl jedem Vorteil die erhöhten Kosten gegenüber stehen. Ebenso wie die resistiven, sind auch die kapazitiven Trägerflächen unempfindlich gegen Schmutz und werden selbst durch Kratzer in der Oberfläche nicht in ihrer Funktion eingeschränkt.[32] Die Verwendung einer Glasoberfläche erhöht die Lebensdauer gravierend, wie an der Anzahl der getesteten Berührungen zu erkennen ist. Die ITO-Schicht befindet sich allerdings, gerade bei einem kapazitiven Aufbau nah am LCD. Es werden fortwährend elektrische Störungen erzeugt, die durch das konstante Prüfen der einzelnen Pixel hervorgerufen werden.[33] Deswegen ist es meist notwendig eine zusätzliche Schicht als Abschirmung zu integrieren. Viele Hersteller verwenden somit drei Schichten um einen störfreien Betrieb zu sichern. Zwei Schichten für das Elektrodenraster und eine Schicht zur Abschirmung. Die Quantum Research Group hat allerdings eine Variante entwickelt, die das Raster auf einer Ebene umsetzt und ohne Abschirmung auskommt. Der Ansatz der kapazitiven Technologie bringt direkt eine enorme Beschränkung mit sich. Da auf eine Veränderung des elektrischen Feldes gewartet wird muss das Medium über ein kapazitives Potential verfügen. Ein nicht leitendes Material ist daher ungeeignet und nur der blanke Finger oder ein speziell entwickelter kapazitiver Eingabestift löst das Touchereignis aus.[34]

4.2 Zukunftsorientierung

Heiß diskutiert wird die Frage, welche dieser beiden Technologien sich in der Zukunft durchsetzen wird. Die resistiven Touchscreens halten noch den größeren Marktanteil, werden aber zusehends unter Druck gesetzt.

4.2.1 Einsatzgebiete und Marktanteile

Die Anwendungsbereiche von Touchscreens sind nahezu unbegrenzt. Zunächst war das Haupteinsatzgebiet überall dort wo Maus und Tastatur als Eingabegeräte nur schwer platzierbar waren. Häufig wurden Touchscreen-Lösungen für offene Informationsterminals vorgesehen. Doch mittlerweile hat sich dies dahingehend verändert, dass eine Touchscreenlösung überall dort angewendet werden kann wo eine Benutzereingabe notwendig oder erwünscht ist. Beispiele hierzu sind Point of Sale Lösungen, industrielle Anwendungen, medizinische Ausrüstung, Entertainment- sowie Mobilfunkendgeräte.[35] Die resistiven Touchscreens sind mit 58 % auf dem gesamten Markt der Touchscreengeräte Marktführer, Stand 2007. Laut Studien von iSuppli wird diese Marktführerschaft aber bis 2012 auf 38 % absinken. Die Verdrängung erfolgt besonders von kapazitiven Lösungen.[36] Sicher sind sich Marktforscher allerdings, dass sich der Markt für Touchscreen-Module nahezu verdoppeln wird. Man geht hier von 3,4 Mrd. US-Dollar im Jahr 2008 aus und rechnet mit 6,4 Mrd. US-Dollar Jahresumsatz bis 2013. Bis 2015 rechnet man mit einem Volumen von 9 Mrd. US-Dollar. Besonders markant ist der Zuwachs auf dem Markt der Mobiltelefone. Hier geht man von einer Zunahme von 40 % der Touchscreen-Geräte aus.[37] Der immense Zuwachs bei diesen und anderen Kleingeräten hat einen starken Einfluss auf diesen Markt aber bereits jetzt arbeiten viele Hersteller an großformatigen Displays für unterschiedliche Verwendungszwecke. Großes Interesse kommt hier aus dem Bereich der Unterhaltungstechnik. Wo der resistive Touchscreen noch seine stärkste Verbreitung erzielt, ist der industrielle Sektor. 2008 besitzen sie 85 % des Marktanteils, wobei 10 % durch kapazitive Lösungen und 5 % durch andere Touchscreen-Technologien getragen werden.

4.2.2 Multi-Touch Technologie

Ein Thema das immer mehr in den Mittelpunkt der Gespräche rückt, ist die Multi-Touch Unterstützung von Touchscreens. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit, mehr als einen Berührungspunkt zur selben Zeit zu registrieren. Die Forschungen in dieser Richtung haben bereits in den 90er Jahren begonnen. Beteiligt waren hier vor allem die Universität von Toronto und Bell Laboraties. Über die Jahre haben sich verschiedene Ansätze entwickelt um das bereits vielseitige Eingabegerät noch intuitiver zu gestalten. 2006 sorgte auf der TED-Konferenz eine Präsentation der New Yorker Universität, durchgeführt von Jeff Han, für Aufsehen. Die eingesetzte Technik hinter diesem Prototyp setzte auf die FTIR-Technologie, was für Frustrated Total Internal Reflection steht.[38] Der Prototyp lies das Potential erahnen, welches die Multi-Touch-Funktion für die Touchscreens der Zukunft mit sich bringen könnte. 2007 veröffentlichte Apple sein IPhone und konnte als eines der ersten Geräte die Multi-Touch Funktion sinnvoll im Format eines Mobiltelefons umsetzen. Besonders in der Branche der Mobiltelefone erfreut sich die, durch Multi-Touch mögliche Gestensteuerung einer hohen Beliebtheit. Durch sie haben IPhone Nutzer die Möglichkeit durch Spreizen zweier Finger eine Zoom-Funktion auszulösen.[39] Der Erfolg des IPhones hat die bereits bestehende Ahnung der Hersteller bestätigt und die Bemühungen in diesem Bereich fokussiert. Microsoft beispielsweise stattete seine neueste Version des Betriebssystems aus der Windows Serie mit einer Multi-Touch Unterstützung aus. Aktuelle Forschungen versuchen die Problematik zu lösen, nicht nur den Punkt zu erkennen sondern auch die Hand und im Idealfall auch wessen Hand den Punkt berührt. Die verwendete Technik entscheidet ob ein System tatsächlich multi-touch-fähig ist oder nur maximal zwei Berührungspunkte erkennt. Hier spricht man vom sogenannten dual-touch.[40] Einige Technologien erkennen optisch detaillierte Objekte, während Andere nur grobe Umrisse ausmachen können.
Die Umsetzung der Multi-Touch-Funktion mit kapazitiven Verfahrensweisen erwies sich zunächst als schwierig. Die surface kapazitive Verfahrensweise ist aufgrund der technischen Umsetzung nicht in der Lage zwischen mehr als einem Berührungspunkt zu unterscheiden. Für die Elektroden in den Eckpunkten des Sensors ist nicht ersichtlich, dass die Störung des Feldes durch unterschiedliche Berührungspunkte verursacht wird. Erst das Einteilen der ITO-Schicht in ein Raster, wie es bei projiziert kapazitiv, ermöglicht die regionale Aufteilung der Sensoroberfläche für den Kontroller. Bei resistiven Technologien lies eine Multi-Touch-Funktion deutlich länger auf sich warten aber auch hier wurden in den letzten Jahren Fortschritte gemacht. Eben solche Multi-Touch Systeme werden beispielsweise von der Firma Stantum entwickelt. Um mehrere Berührungen registrieren zu können wird die eine ITO-Schicht in Spalten und die andere in Zeilen eingeteilt. Mithilfe des Rasters, durch die kombinierten Schichten können die Berührungspunkte voneinander unterschieden werden. Dazu werden Spalten und Zeilen nacheinander mit der Prüfladung versehen. An den einzelnen Berührungspunkten wird die jeweilige Ladung gemessen und der Kontroller leitet diese an die verarbeitende Software weiter.

5 Anwendungsbeispiele

5.1 Multi-Touch Table

Resisitver Multi-Touch Table
Resisitver Multi-Touch Table

Ein besonders gefragtes Einsatzgebiet für Touchscreens, ist die Unterhaltungs- und Spielebranche. Das intuitive Eingabemittel findet hier ein ideales Umfeld. Es gibt bereits etablierte Normen und Verhaltensweisen, die sich direkt in Multi-Touch-Gestiken umsetzen lassen. Die MOTO Development Group hat 2007 einen Prototyp für einen großflächigen resistiven Multi-Touch-Table vorgestellt. Um das Potential des Gerätes zu nutzen wurde eine Anwendung entwickelt, die sich an die Gaming Szene richtet, Casino Blackjack. Eine Gaming-Applikation bietet sich als Anwendung für ein solches System an. Die Karten, Chips und andere Spielmaterialen können durch virtuelle Objekte ersetzt werden, während weiterer Aufwand, wie mischen und verteilen wegfällt. Die Spieler können sich allein dem Spiel widmen, das wesentlich effizienter abläuft. Durch intuitive Steuerung haben die Spieler dennoch das Gefühl die Kontrolle über ihre Karten und Chips zu haben. So werden die, für das Spiel bekannten Aktionen durch ähnliche Gestiken auf der Oberfläche realisiert. Die Umsetzung der charakteristischen, geheimen Betrachtung der eigenen Handkarten wird daher so realistisch wie möglich durchgeführt. Die Spieler können mit einer Hand eine Sichtbarriere zu den übrigen Spielern aufbauen und mit einer Bewegung über ihre Karten, den digitalen Vorhang heben um einen Blick auf ihr Blatt zu werfen. Die Multi-Touch-Funktion ermöglicht mehreren Spielern gleichzeitig am Tisch zu spielen.[41]

Ein anderes Beispiel eines Multi-Touch-Tables ist der Microsoft Surface, ebenfalls 2007 vorgestellt. Hier wird als Eingabegerät gänzlich auf den 30 Zoll großen Touchscreen gesetzt. Die eingesetzte Technologie verwendet optische Erkennung durch Infrarot-Reflexion. Mehrere Kameras erkennen bis zu 52 individuelle Eingaben. Bei diesem Gerät sollte der Schwerpunkt auf der direkten Interaktion mit den Daten im Rechner und der direkten Umwelt liegen. Die Oberfläche ist in der Lage, Objekte und Geräte die sich auf dem Sensor befinden zu erkennen und mit ihnen zu interagieren. So kann beispielsweise ein frisch geschossenes Foto, von der Digitalkamera auf den Surface transferiert werden durch simples Abstellen der Kamera auf die Oberfläche. Auf der Benutzeroberfläche können die Bilder nun mit Multi-Touch-Gestiken manipuliert und auf Wunsch in den Speicher eines anderen Gerätes geschoben werden, das sich auf der Oberfläche befindet. Verbaut ist der Surface in einem Gehäuse, dass ihm die Größe eines Couchtisches verleiht.[42] Mit einem Einstiegspreis von 12.500 US-Dollar ist diese Technik zwar innovativ aber noch nicht interessant für den öffentlichen Massenmarkt.

5.2 IPhone

Ein anderes Beispiel für eine erfolgreiche branchen-weite Umsetzung der Touchscreen-Technologie, ist das der Mobiltelefone. Vorwiegend in den sogenannten Smartphones erfreuen sich Touchscreens erhöhter Beliebtheit. Ebenfalls im Jahr 2007 veröffentlichte Apple sein neuestes Produkt aus diesem Segment. Das IPhone, ein Smartphone mit einer vielseitigen Ausstattung, darunter der 3,5 Zoll multi-touch-fähige Touchscreen. Eingesetzt wurde ein kapazitiver Touchscreen mit einer gerasterten ITO-Schicht. Somit konnten einige innovative Multi-Touch-Gestiken, wie das Zoomen durch Spreizen der Finger oder das Weiterspringen zum nächsten Menü, durch eine einfache Wischbewegung. Einige weitere Gestiken, wie das Halten der Shift-Taste, zur Eingabe von Großbuchstaben, wurden einige Zeit nach dem Release hinzugefügt. Wie alle einfachen kapazitiven Systeme, bringt auch das IPhone den Nachteil mit sich, dass es nur über den Finger oder ein kapazitives Medium gesteuert werden kann. Apple versuchte mit einer Serie von über 300 Patenten ihre Multi-Touch Funktion zu sichern, aber zusehends mehr Hersteller setzen sich über diese Rechte hinweg.[43] Die Entwicklung der Multi-Touch Technologie wurde nicht grundlegend von Apple erfunden sondern nur intelligent umgesetzt. Eine Umsetzung durch andere technische Verfahrensweisen kann Apple somit nicht aufhalten und die Konkurrenz hat am Beispiel IPhone gesehen wie vielversprechend diese Funktion ist.

6 Fazit

Die Touchscreen Technologie entwickelt sich fortwährend weiter und breitet sein Anwendungsbereich weiterhin aus. Für die Ideenträger ist klar, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis Touchscreens überall zu finden sind. Touchscreens an öffentlichen Terminals könnten ein allgegenwärtiger Anblick werden. Die Frage nach der verwendeten Technik ist eine ganz andere. Kapazitive Verfahrensweisen bekommen weiterhin einen immensen Zuwachs in den meisten Anwendungsbereichen. Die begründet sich durch die Vielzahl an Vorteilen, wie die höhere Lichtdurchlässigkeit, einer je nach Qualität höheren Auflösung und Genauigkeit in der Positionsbestimmung und der angenehmeren Bedienbarkeit durch drucklose Aktivierung. Durch die neueren Verfahren, basierend auf projiziert kapazitiven Technologien, konnten auch die schwerwiegenden Nachteile abgeschwächt werden. Bedienbarkeit auch mit behandschuhter Hand ist möglich. Lediglich Menschen mit Prothesen können diese Touchscreens nur mit speziellen, kapazitiven Eingabestiften bedienen. Die erhöhte Distanz vom Medium zum Sensor ermöglicht Schutzverkleidung, die den Einsatz unter den widrigsten Umstände möglich machen. Somit bleibt den resistiven Verfahrensweisen noch ein Vorteil, der jedoch nicht von der Hand zu weisen ist. Sie können günstig und einfach hergestellt werden. Somit können sie sich ihren Platz in Produkten sichern, die ein hohes Preis-Leistung-Verhältnis aufweisen sollen. Beispielsweise erobert ein IPhone mit kapazitiven Touchscreen die Branche und überzeugt durch seine Verkaufszahlen, jedoch halten sich auch Smartphones mit resistiven Touchscreens, wie das HTC Touch Pro 2 auf dem Markt. Die Genauigkeit durch die Verwendung eines Eingabestiftes, birgt gerade in diesem Marktsegment noch große Vorteile.

7 Abbildungsverzeichnis

Abb.-Nr.Abbildung
1Resistive Touchscreens
2Four-Wire Aufbau
3Four-Wire Funktionsweise
4Four-Wire Funktionsweise II
5Kapazitive Touchscreens
6Projiziert Kapazitiv
7Surface Wave
8Infrarot Verfahren
9Resistiver Multi-Touch Table

8 Fußnoten

  1. Vgl. Zühlke 2004
  2. Vgl. Hartson,Hix (1993)
  3. Vgl. Bellis, http://inventors.about.com/library/inventors/bltouch.htm
  4. Vgl. Heineck (2004)
  5. Vgl. Rigoll,Schenk (2010)
  6. Vgl. Elo TouchSystems http://www.elotouch.com/Technologies/compare_resist.asp
  7. Vgl. TLC http://www.tlc-elektronik.de/ts_info_res.html
  8. Vgl. Rügheimer http://www.connect.de/themen_spezial/Resistiv-Touch-durch-Druck_5785718.html
  9. Vgl. Philipp http://electronicdesign.com/article/components/please-touch-explore-the-evolving-world-of-touchsc.aspx
  10. Vgl. Elo TouchSystems http://www.elotouch.com/Technologies/compare_resist.asp
  11. Vgl. Elo TouchSystems http://www.elotouch.com/Technologies/compare_resist.asp
  12. Vgl. TCI http://www.tci.de/Resistiv.887.0.0.html?&L=0
  13. Vgl. Elo TouchSystems http://www.elotouch.com/Technologies/compare_resist.asp
  14. Vgl. Omnio http://mobilenews.omio.com/mobile-phone-guides/resistive-vs-capacitive-touchascreens-whats-the-difference/
  15. Vgl. TCI http://www.tci.de/Kapazitiv.888.0.0.html?&L=0
  16. Vgl. Lamelot http://www.tomshardware.de/Touchscreens,testberichte-240158-3.html
  17. Vgl. AMS http://www.amsimpex.com/products/capacitive-PCT-touchscreen.html#pct
  18. Vgl. TCI http://www.tci.de/Near_Field_Imaging_-.889.0.0.html?&L=0
  19. Vgl. TCI http://www.tci.de/Acoustic_Wave.890.0.0.html
  20. Vgl. VISAM http://www.visam.de/04_service/touch.php
  21. Vgl. Meroth,Tolg (2007)
  22. Vgl. Wacom http://www.wacom.eu/index2.asp?lang=de&pid=34&gm=4
  23. Vgl. Fasoglio, http://www.elektroniknet.de/opto/technik-know-how/displays/article/1620/0/Dispersive_Signal_Technology_oder_was/
  24. Vgl. Fasoglio, http://www.elektroniknet.de/opto/technik-know-how/displays/article/1620/0/Dispersive_Signal_Technology_oder_was/
  25. Vgl. Hughes http://www.channelpartner.de/index.cfm?pid=148&pk=633708
  26. Vgl. Elo TouchSystems http://www.elotouch.com/Technologies/compare_resist.asp
  27. Vgl. Elo TouchSystems http://media.elotouch.com/pdfs/datasheets/accutouch_ds.pdf
  28. Vgl. Philipp http://electronicdesign.com/article/components/please-touch-explore-the-evolving-world-of-touchsc.aspx
  29. Vgl. Lamelot http://www.tomshardware.de/Touchscreens,testberichte-240158-3.html
  30. Vgl. Vandeweyer http://www.sps-magazin.de/?inc=artikel/article_show&nr=24581
  31. Vgl. Mühlbauer http://www.elektronikpraxis.vogel.de/displays/articles/169101/index2.html
  32. Vgl. Pabst http://www.elektronikpraxis.vogel.de/index.cfm?pid=876&pk=125863
  33. Vgl. Philipp http://electronicdesign.com/article/components/please-touch-explore-the-evolving-world-of-touchsc.aspx
  34. Vgl. Lamelot http://www.tomshardware.de/Touchscreens,testberichte-240158-3.html
  35. Vgl. Shneiderman 1993
  36. Vgl. Mühlbauer http://www.elektronikpraxis.vogel.de/themen/hardwareentwicklung/elektromechanik/schaltereingabesysteme/articles/69025/
  37. Vgl. Electronica http://www.electronica.de/link/de/22192931#22192931
  38. Vgl. Han http://cs.nyu.edu/~jhan/ftirtouch/index.html
  39. Vgl. Bonner http://mobile.magnus.de/handys-smartphones/artikel/beruehr-mich-so-geht-touchscreen-multitouch-resistive-displays-co.2.html
  40. Vgl. Garád http://www.innovations-report.de/html/berichte/studien/multitouch_gleich_quot_multi_touch_quot_141152.html
  41. Vgl. labs.moto.com http://labs.moto.com/blackjack-for-multi-touch/
  42. Vgl. Microsoft http://www.microsoft.com/surface/en/us/Pages/Product/WhatIs.aspx
  43. Vgl. heise http://www.heise.de/mobil/meldung/Apple-reicht-Klage-gegen-HTC-ein-944604.html

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