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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eingabeschnittstelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Eingabeschnittstelle. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Eingabeschnittstelle zur Verwendung als Touchdisplay oder als Touchpad.
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Stand der Technik
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Touchpads oder Touchdisplays dienen dazu, Eingaben des Benutzers zu erfassen und in entsprechende elektrische Signale umzuwandeln. Dazu ist es notwendig, die Position des Fingers oder eines Eingabegerätes, etwa eines Eingabestifts, auf dem Touchpad oder Touchdisplay genau zu erkennen. Ein grundlegendes Verfahren, um die genaue Position zu ermitteln, bei welcher das Touchdisplay berührt wird, findet sich in der Druckschrift R. Adler und P. Desmares, „An Economical Touch Panel Using SAW Absorption“, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. UFFC-34, 1987. In dieser Referenz wird vorgeschlagen, akustische Oberflächenwellen über entsprechende Aktoren in ein Substrat einzukoppeln. In dem Substrat sind weiter Reflektoren angeordnet, welche die Oberflächenwellen unter einem Winkel von 45 Grad teilreflektieren und auf ein Array von gegenüberliegenden Reflektoren ablenken. Dieses zweite Array von Reflektoren lenkt die Oberflächenwellen wiederum um einen Winkel von 45 Grad um, in Richtung eines Empfängers, welcher die Wellen detektiert. Je nachdem, von welchem Reflektorpaar die Oberflächenwelle reflektiert wurde, unterscheidet sich die Laufzeit der Oberflächenwelle.
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Befindet sich nun der Finger oder ein Eingabegerät eines Benutzers im Pfad der Oberflächenwelle, so wird die Intensität der Oberflächenwelle gedämpft, sodass der Empfänger ein Signal mit reduzierter Stärke wahrnimmt. Unter Zuhilfenahme der Laufzeit der Oberflächenwelle kann auf die Position des Fingers zurückgeschlossen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eingabeschnittstelle, insbesondere für ein Touchdisplay oder für ein Touchpad, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und ein Verfahren zum Herstellen einer Eingabeschnittstelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Eingabeschnittstelle mit einer Touchfläche, welche eine erste Aktoreinrichtung mit mindestens einem elektroaktiven Polymer umfasst. Die erste Aktoreinrichtung ist dazu ausgebildet, Vibrationen zu erzeugen. Die Eingabeschnittstelle umfasst weiter eine zweite Aktoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Oberflächenwellen in die Touchfläche einzukoppeln. Die Eingabeschnittstelle umfasst weiter eine Sensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Oberflächenwellen nach dem Durchgang durch die Touchfläche zu detektieren.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Eingabeschnittstelle. Eine Touchfläche mit einer ersten Aktoreinrichtung wird ausgebildet, wobei die erste Aktoreinrichtung mindestens ein elektroaktives Polymer umfasst. Eine zweite Aktoreinrichtung wird ausgebildet, welche dazu ausgelegt ist, Oberflächenwellen in die Touchfläche einzukoppeln. Weiter wird eine Sensoreinrichtung ausgebildet, welche dazu ausgelegt ist, die Oberflächenwellen nach dem Durchgang durch die Touchfläche zu detektieren.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Eingabeschnittstelle bereit, welche sowohl dazu ausgebildet ist, eine genaue Position eines Fingers oder eines Eingabegeräts des Benutzers zu ermitteln, als auch dem Benutzer eine haptische Rückmeldung zu geben. Die erste Aktoreinrichtung kann vorzugsweise dazu ausgebildet sein, die gesamte Eingabeschnittstelle zu Vibrationen anzuregen. Jedoch kann die erste Aktoreinrichtung auch dazu ausgelegt sein, lediglich lokale Bereiche, insbesondere Abschnitte oder Teilbereiche der Touchfläche in Schwingung zu versetzen und dadurch örtlich aufgelöste Vibrationen zu erzeugen.
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Die erfindungsgemäße Eingabeschnittstelle ist besonders kostengünstig und einfach herzustellen. Insbesondere werden für die erste Aktoreinrichtung, die zweite Aktoreinrichtung und die Sensoreinrichtung vorzugsweise dieselben oder ähnliche Werkstoffklassen verwendet, sodass dieselben oder ähnliche Strukturierungsprozesse und Herstellungsprozesse verwendet werden können. Dadurch ergeben sich Synergie-Effekte, da die Elemente bzw. Komponenten der Eingabeschnittstelle vorzugsweise gleichzeitig oder zumindest in wenigen Arbeitsschritten hergestellt werden können.
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Vorzugsweise umfassen die zweite Aktoreinrichtung und/oder die Sensoreinrichtung mindestens ein elektroaktives Polymer. Vorzugsweise können sowohl die elektroaktiven Polymere der ersten Aktoreinrichtung als auch die elektroaktiven Polymere der zweiten Aktoreinrichtung oder der Sensoreinrichtung in einem einzigen Arbeitsschritt abgeschieden bzw. hergestellt werden. Die Herstellung wird dadurch beschleunigt und die Kosten werden reduziert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die zweite Aktoreinrichtung und/oder die Sensoreinrichtung einen Piezo-Keramik-Aktor.
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Gemäß einer Weiterbildung sind die erste Aktoreinrichtung, die zweite Aktoreinrichtung und die Sensoreinrichtung auf ein gemeinsames Substrat der Eingabeschnittstelle gedruckt. Ein Druckprozess ermöglicht eine schnelle Abscheidung der Komponenten, welche insbesondere mit hoher Präzision relativ zueinander positioniert werden können. Dadurch kann die Präzision der Erfassung von Positionen von Berührungen der Touchfläche schneller und präziser durchgeführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Eingabeschnittstelle sind die erste Aktoreinrichtung, die zweite Aktoreinrichtung und die Sensoreinrichtung im Wesentlichen koplanar ausgebildet.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Eingabeschnittstelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht der Eingabeschnittstelle entlang der Achse X-X in 1;
- 3 eine schematische Draufsicht auf eine Eingabeschnittstelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
- 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen einer Eingabeschnittstelle gemäß einer Ausführungsformen der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Eingabeschnittstelle 1a gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Eingabeschnittstelle 1a kann zur Verwendung für ein Touchpad oder ein Touchdisplay ausgebildet sein, beispielsweise für einen Laptop oder für ein Handheldgerät, etwa ein Smartphone.
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Die Eingabeschnittstelle 1 umfasst eine Touchfläche 2a, welche vorzugsweise rechteckig ausgebildet ist. Ein Benutzer kann die Touchfläche 2a berühren, etwa mit dem Finger oder mit einem Eingabestift, und dadurch ein mit der Eingabeschnittstelle 1 verbundenes Gerät steuern.
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Die Touchfläche 2a ist genauer in 2 illustriert, welche eine schematische Querschnittsansicht der Eingabeschnittstelle 1a entlang der Achse X-X in 1 darstellt.
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Die Touchfläche 2a besteht gemäß dieser Ausführungsform aus einer ersten Aktoreinrichtung 20, welche eine Vielzahl von übereinander gelagerten Schichten aufweist. Eine erste Schicht 201 ist mit einer Oberfläche eines Substrats 5 der Eingabeschnittstelle 1 verbunden und vorzugsweise auf das Substrat 5 aufgedruckt. Das Substrat 5 kann hierbei aus einem durchsichtigen Werkstoff, beispielsweise Glas, PC, PET, PI oder Polyester bestehen. Das Substrat 5 kann auch aus einem undurchsichtigen Werkstoff, beispielsweise gefülltem PA, PBT oder ABS bestehen. Auf der ersten Schicht 201 sind eine zweite Schicht 202, auf dieser eine dritte Schicht 203, auf dieser eine vierte Schicht 204 und auf dieser eine fünfte Schicht 205 ausgebildet.
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Die zweite Schicht 202 und die vierte Schicht 204 umfassen mindestens ein elektroaktives Polymer, vorzugsweise ein PVDF Terpolymer und/oder ein Copolymer mit piezoelektrischen bzw. elektrostriktiven Eigenschaften. Die erste Schicht 201, die dritte Schicht 203 und die fünfte Schicht 205 sind aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet und dienen als Elektroden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die erste Schicht 201 und die dritte Schicht 203 bzw. zwischen die dritte Schicht 203 und die fünfte Schicht 205 entsteht eine anziehende bzw. abstoßende Kraft zwischen den als Elektroden fungierenden Schichten 201, 203, 205. Dadurch werden die dazwischenliegenden elektroaktiven Polymere in der zweiten Schicht 202 bzw. in der vierten Schicht 204 deformiert, sodass sich der Abstand zwischen den Elektroden verringert. Durch Anlegen einer variablen Spannung kann dadurch eine Vibration erzeugt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen können die als Elektroden fungierenden Schichten weiter strukturiert sein und beispielsweise eine Vielzahl von voneinander getrennten metallischen Abschnitten umfassen, welche etwa arrayförmig angeordnet sind und jeweils als Elektroden fungieren. Dadurch kann ein räumlich lokalisierter Bereich der Touchfläche 2a zur Vibration angeregt werden.
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Die Eingabeschnittstelle 1 umfasst weiter eine zweite Aktoreinrichtung 3a, welche dazu ausgebildet ist, Oberflächenwellen in die Touchfläche 2a einzukoppeln, und eine Sensoreinrichtung 4a, welche dazu ausgebildet ist, die Oberflächenwellen nach dem Durchgang durch die Touchfläche 2a zu detektieren.
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Die zweite Aktoreinrichtung 3a umfasst ein erstes Aktorelement 31, welches entlang einer ersten Kante der Touchfläche 2 auf dem Substrat 5 angeordnet ist, und ein zweites Aktorelement 32, welches entlang einer angrenzenden zweiten Kante der Touchfläche 2 auf dem Substrat 5 angeordnet ist.
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Die Sensoreinrichtung 4a umfasst ein erstes Sensorelement 41, welches entlang einer der ersten Kante gegenüberliegenden dritten Kante der Touchfläche 2 auf dem Substrat 5 angeordnet ist, und ein zweites Sensorelement 42, welches entlang einer der zweiten Kante gegenüberliegenden vierten Kante der Touchfläche 2 auf dem Substrat 5 angeordnet ist.
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Das erste Aktorelement 31 und das zweite Aktorelement 32 umfassen jeweils eine Vielzahl von separat ansteuerbaren Aktoreinheiten 31i, 32i, welche entlang der ersten Kante bzw. der zweiten Kante der Touchfläche 2a angeordnet sind. Das erste Sensorelement 41 und das zweite Sensorelement 42 umfassen entsprechende separat kontaktierbare Sensoreinheiten 41i, 42i, welche den jeweiligen Aktoreinheiten 31i, 32i gegenüber angeordnet sind.
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Wie in 2 illustriert, umfassen die Aktoreinheiten 31i, 32i jeweils mehrere Schichten, wobei eine erste Schicht 311, eine dritte Schicht 313 und eine fünfte Schicht 315 aus einem metallischen Material bestehen und als Elektroden für die dazwischen liegende zweite Schicht 312 und vierte Schicht 314 dienen. Die zweite Schicht 312 und die vierte Schicht 314 umfassen mindestens ein elektroaktives Polymer, insbesondere aus einem der oben erwähnten Werkstoffe. Durch Anlegen von elektrischen Spannungen zwischen die erste Schicht 311 und die dritte Schicht 313 bzw. zwischen die dritte Schicht 313 und die fünfte Schicht 315 können die Aktoreinheiten 31i, 32i Oberflächenwellen in die Touchfläche 2a einkoppeln.
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Die Sensoreinheiten 41i, 42i sind dazu ausgebildet, die von den jeweils gegenüberliegenden Aktoreinheiten 31i, 32i ausgesendeten Oberflächenwellen nach dem Durchgang durch die Touchfläche 2a zu empfangen und ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben. Die Sensoreinheiten 41i, 42i weisen hierzu ebenfalls eine Schichtstruktur auf, wobei eine erste Schicht 411, eine dritte Schicht 413 und eine fünften Schicht 415 aus einem metallischen Material ausgebildet sind und als Elektroden für die dazwischenliegende zweite Schicht 412 und vierte Schicht 414 dienen, welche ein elektroaktives Polymer umfassen.
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Die Oberflächenwellen erzeugen in den Schichten der Sensoreinheiten 41i, 42i entsprechende Schwingungen, welche zu einer Veränderung des Abstandes zwischen den Elektrodenschichten der Sensoreinheiten 41i, 42i führen. Durch Messung einer Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden kann die Oberflächenwelle nach dem Durchgang durch die Touchfläche 2a detektiert werden. Weiter kann auch eine Veränderung der zweiten Schicht 412 und vierten Schicht 414 detektiert werden, welche das elektroaktive Polymer umfassen. So kann eine Polarisation der kristallinen Domäne des elektroaktiven Polymers detektiert werden. Die Änderungen können beispielsweise mittels einer Kapazitätsmessung, Impedanzmessung, Ladungsmessung, Strommessung, Spannungsmessung und/oder Potentialmessung des elektroaktiven Polymers detektiert werden.
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Befindet sich ein Finger oder ein Eingabegerät an einen Punkt P der Touchfläche 2a, so wird die Amplitude der Oberflächenwelle reduziert, was anhand der detektierten Oberflächenwelle ermittelt werden kann. Das erste Aktorelement 31 und das erste Sensorelement 41 sind somit dazu ausgelegt, eine Berührungsposition P entlang einer vertikalen y-Achse zu bestimmen, während das zweite Aktorelement 32 und das zweite Sensorelement 42 dazu ausgelegt sind, die Berührungsposition P entlang einer horizontalen x-Achse zu bestimmen.
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Die Anzahl und Schichtdicken der Schichten der ersten Aktoreinrichtung 20, der zweiten Aktoreinrichtung 3a und der Sensoreinrichtung 4a sind nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt sondern können beliebig gewählt werden. Weiter ist die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Elektrodenkonfigurationen beschränkt. So kann anstelle der in 2 illustrierten Stapelgeometrie auch eine interdigitale Elektrodenkonfiguration verwendet werden. So können die Elektroden der ersten Aktoreinrichtung 20, der zweiten Aktoreinrichtung 3a und/oder der Sensoreinrichtung 4a auch als Interdigitaltransducer (IDT) ausgebildet werden.
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Die Eingabeschnittstelle 1 kann vorzugsweise weiter eine Auswerteeinrichtung umfassen, welche dazu ausgebildet ist, anhand der von der Sensoreinrichtung 4a detektierten Oberflächenwellen diejenige Position zu bestimmen, an welcher die Touchfläche 2a berührt wird.
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Anstelle der in Aktoreinheiten 31i, 32i unterteilten Aktorelemente 31, 32 und in Sensoreinheiten 41i, 42i unterteilten Sensorelemente 41, 42 kann auch lediglich eine einzige Aktoreinheit und eine einzige Sensoreinheit vorgesehen sein, wobei die Sensoreinheit die Oberflächenwellen detektiert und die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, zu erkennen, ob eine Berührung der Touchfläche 2a vorliegt oder nicht.
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Weiter können anstelle der Polymerschichten auch Piezo-Keramik-Aktoren für die erste Aktoreinrichtung 20, die zweite Aktoreinrichtung 3a und/oder die Sensoreinrichtung 4a verwendet werden.
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In 3 ist eine Eingabeschnittstelle 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Die auf einem Substrat 5 angeordnete Touchfläche 2b entspricht im Wesentlichen der in der obigen Ausführungsform beschriebenen Touchfläche 2a. Zusätzlich umfasst die Touchfläche jedoch eine Vielzahl von Reflektoren 61, 62, 71, 72, welche auf, innerhalb oder unterhalb der ersten Aktoreinrichtung 20 der Touchfläche 2 angeordnet sind.
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Die Eingabeschnittstelle 1b umfasst eine zweite Aktoreinrichtung 3b und eine Sensoreinrichtung 4b, welche benachbart zu einer Kante der Touchfläche 2b angeordnet sind, wobei die zweite Aktoreinrichtung 3b an einem oberen Ende der Kante und die Sensoreinrichtung 4b an einem unteren Ende der Kante angeordnet sind. Die zweite Aktoreinrichtung 3b ist dazu ausgelegt, eine Oberflächenwelle in die Touchfläche 2b einzukoppeln. Die Aktoreinrichtung 3b kann hierzu eine oben beschriebene Schichtstruktur aufweisen.
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Die Reflektoren 61, 62 sind derart entlang der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle angeordnet, dass die Oberflächenwelle in einem Winkel von 45 Grad auf einen Reflektor 61 tritt und teilweise reflektiert wird. Ein weiterer Anteil der Oberflächenwelle tritt durch den Reflektor 61 hindurch und trifft auf einen weiteren Reflektor 62, wo sie wiederum teilweise reflektiert und teilweise transmittiert wird. An den Reflektoren 61, 62 tritt somit Teilreflexion auf.
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Die Oberflächenwellen treffen nach der ersten Reflexion auf entsprechende an einer gegenüberliegenden Seite der Touchfläche angeordnete Reflektorelemente 71, 72, werden wiederum um 45 Grad abgelenkt und in Richtung der Sensoreinrichtung 4b reflektiert.
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Die Sensoreinrichtung 4b ist dazu ausgebildet, die Oberflächenwellen nach dem Durchgang durch die Touchfläche 2b zu detektieren. Je nachdem, von welchem Reflektorpaar die Oberflächenwelle reflektiert wurde, unterscheidet sich die Laufzeit. Eine eingezeichnete erste Oberflächenwelle W1 wird von Reflektoren 61, 71 reflektiert, welche sich näher an der zweiten Aktoreinrichtung 3b und der Sensoreinrichtung 4b befinden, so dass die Oberflächenwelle W1 eine geringere Laufzeit aufweist, als diejenige einer zweiten Oberflächenwelle W2, welche von weiter entfernten Reflektoren 62, 72 reflektiert wird.
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Wird die Touchfläche 2b an einer Position P berührt, so reduziert sich die Intensität der Oberflächenwelle W1, was sich durch Analyse der detektierten Oberflächenwelle ermitteln lässt. Aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten kann anhand der detektierten Oberflächenwelle weiter eine Koordinate der Position P entlang einer horizontalen x-Achse bestimmt werden. Vorzugsweise können entsprechende zweite Aktoreinrichtungen und Sensoreinrichtungen um 90 Grad versetzt angeordnet werden, und zusätzlich entsprechende um 90 Grad versetzte Reflektoren vorgesehen sein, sodass auch die Position entlang einer horizontalen y-Achse bestimmt werden kann. Insbesondere können dadurch auch mehrere Berührungspunkte, beispielsweise zur Detektion von Mehrfingerberührungen, erfasst werden.
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4 zeigt ein Flussdiagramm zu Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen einer Eingabeschnittstelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird eine Touchfläche mit einer ersten Aktoreinrichtung auf einem Substrat 5 ausgebildet. Die erste Aktoreinrichtung 20 umfasst mindestens ein elektroaktives Polymer. Das Substrat 5 kann aus einem durchsichtigen Werkstoff, beispielsweise Glas, PC, PET, PI oder Polyester bestehen. Das Substrat 5 kann auch aus einem undurchsichtigen Werkstoff, beispielsweise gefülltem PA, PBT oder ABS bestehen.
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In einem Verfahrensschritt S2 wird eine zweite Aktoreinrichtung ausgebildet, welche dazu ausgelegt ist, Oberflächenwellen in die Touchfläche einzukoppeln.
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Weiter wird in einem Verfahrensschritt S3 eine Sensoreinrichtung ausgebildet, die dazu ausgelegt ist, die Oberflächenwellen nach dem Durchgang durch die Touchfläche zu detektieren. Vorzugsweise umfassen die zweite Aktoreinrichtung und die Sensoreinrichtung ebenfalls mindestens ein elektroaktives Polymer. Die einzelnen Schichten der ersten Aktoreinrichtung, der zweiten Aktoreinrichtung und der Sensoreinrichtung können vorzugsweise jeweils in demselben Arbeitsschritt aufgetragen werden. So können abwechselnd die Schichten für die Elektroden, und die Schichten aus dem elektroaktiven Polymer abgeschieden werden.
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Vorzugsweise erfolgt das Ausbilden der Schichten mittels eines Druckverfahrens. Bevorzugt wird ein Siebdruckverfahren, ein Slot-Coating-Verfahren (Schlitzdüsen-Beschichtung), ein Inkjet-Druckverfahren oder ein Flexodruck-Verfahren verwendet. Die erste Aktoreinrichtung, die zweite Aktoreinrichtung und die Sensoreinrichtung können im Wesentlichen koplanar ausgebildet werden.
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Die Anzahl und Schichtdicken der jeweiligen Elektrodenschichten und Schichten aus dem elektroaktiven Polymer der ersten Aktoreinrichtung, der zweiten Aktoreinrichtung und der Sensoreinrichtung können jeweils gleich sein, können sich jedoch auch unterscheiden.
