DE102008004423A1

DE102008004423A1 - Anordnung zur Erfassung von Berührungen auf einer Trägerplatte und Verfahren zur Herstellung eines Sensors

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Publication number: DE102008004423A1
Application number: DE102008004423A
Authority: DE
Original assignee: FELA HOLDING GmbH
Current assignee: FELA HOLDING GmbH
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2008-01-14
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: DE102008004423B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung von Berührungen auf einer Trägerplatte, welche aus einem isolierenden Material besteht, wobei auf der Trägerplatte (1) mindestens ein, die Berührung detektierender Sensor (2, 3, 4), angeordnet ist, welcher mit einer Auswertelektronik verbunden ist. Bei einer Anordnung zur Erfassung von Berührungen auf einer Trägerplatte, die einfach herzustellen ist und bei der die erzeugten Ströme einfach auszuwerten sind, ist der aus einem transparenten Material bestehende Sensor (2, 3, 4) in einem transparenten Bereich (6) der Trägerplatte (1) auf deren Rückseite angeordnet.

Description

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.
Gattungsgemäße Anordnungen zur Erfassung von Berührungen auf einer Trägerplatte sind als Touchscreens bekannt.
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.
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).
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 durch lässig sind, stören diese normalerweise die Anzeige. Sie sind deshalb an den äußeren Rändern der Glasplatte angeordnet.
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.
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.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der aus einem transparenten Material bestehende Sensor in einem durchsichtigen Bereich der Trägerplatte auf deren Rückseite angeordnet ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 angegeben. Die Sensorelektrode ist dabei besonders einfach herzustellen, wenn mittels einer durchsichtigen und elektrisch leitfähigen Paste eine Sensorelektrodenstruktur gebildet wird, welche mittels einer Schablone auf die Trägerplatte strukturiert aufgebracht wird und die Sensorelektrodenstruktur nach Entfernung der Schablone in einem Temperaturschritt getrocknet wird.
Vorteilhafterweise besteht die Paste aus einem Polycarbonat oder einem Polyester.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Verfahrensbedingungen für die Trocknung an die verwendeten Materialien angepaßt.
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.
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.
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.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1: Seitenansicht eines kapazitiven Touchscreens
2: Frontseite eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
3: Rückseite des Ausführungsbeispieles der Erfindung
4: elektrischer Aufbau eines Touchscreens
5: Gestaltung der Sensorelektroden
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.
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.
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.
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.
Innerhalb des transparenten Bereiches 6 sind in zwei Reihen transparente Sensorelektroden 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, und 4b befestigt.
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.
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.
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.
Die Auswerteelektroniken 8 und 9 sind mit einer Displayansteuerelektronik 17 und mit einer Schnittstelle zu einer externen Steuereinrichtung 18 verbunden.
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.
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.
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.
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.
Ist die Polycarbonatschicht dicker als 100 µm oder wird eine normale Polyesterfolie verwendet, betragen die Trocknungsbedingungen 15 Minuten bei 130°C.
Mit den Pasten BAYTRON S V 3 von der Firma Bayer AG und AEROSIL der Firma Degussa wurden erfolgreich Versuche durchgeführt.
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.
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.
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.

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

Claims

Anordnung zur Erfassung von Berührungen auf einer Trägerplatte, welche aus einem isolierenden Material besteht, wobei auf der Trägerplatte mindestens ein, die Berührung detektierender Sensor angeordnet ist, welcher mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der aus einem transparenten Material bestehende Sensor (2, 3, 4) in einem durchsichtigen Bereich (6) der Trägerplatte (1) auf deren Rückseite angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein kapazitiver Sensor (2, 3, 4) ist, welcher mindestens eine transparente Sensorelektrode (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) aufweist, die auf der Rückseite der Trägerplatte (1) im durchsichtigen Bereich (6) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Sensorelektrode (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) des kapazitiven Sensors (2, 3, 4) eine Schichtdicke von annähernd 1–5 µm bis 100 µm 500 µm aufweist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) des kapazitiven Sensors (2, 3, 4) ein Netz von elektrisch leitenden Verbindungen (19) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durchsichtige Bereich (6) der Trägerplatte (1) annähernd mittig auf der Trägerplatte (1) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit den Sensorelektroden (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) verbundene Auswerteelektronik (8, 9) auf der Rückseite der Trägerplatte (1) außerhalb des durchsichtigen Bereiches (6) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) über eine Verbindungsleitung (10, 11, 12, 13, 14, 15) mit der Auswerteelektronik (8, 9) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte eine Glasplatte (1) ist, die außerhalb des durchsichtigen Bereiches (6) mit einem vorgegebenen Muster bedruckt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Erfassung von Berührungen auf einer Trägerplatte nach Anspruch 1 mittels eines Druckverfahrens z. B. Siebdruck, Tintenstrahl etc., Laminiertechnik, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer durchsichtigen und elektrisch leitfähigen Paste eine Sensorstruktur gebildet wird, welche mit einer Schablone strukturiert auf die Trägerplatte aufgebracht wird und die Sensorstruktur nach Entfernung der Schablone in einem Temperaturschritt getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste aus einem Polycarbonat oder einem Polyester besteht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung einer Paste aus Polycarbonat mit einer Schichtdicke kleiner als 100 µm oder einem amorphen Polyester die Paste 25–40 Minuten bei einer Temperatur von 70–90°C getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung einer Paste aus Polycarbonat mit einer Schichtdicke größer als 100 µm oder aus Polyester die Paste 10–20 Minuten bei einer Temperatur von 100–140°C getrocknet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9–12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abfolge von mehreren Schichten der Paste, jede Schicht nach dem Aufbringen getrocknet wird.