Touchscreen

Wie funktionieren Touchpad und Touchscreen?

Die meisten modernen Computer oder Handys werden heutzutage mithilfe von Touchpads oder Touchscreens bedient. Die feinfühligen Oberflächen ersetzen die Computermaus am PC und die Tastatur auf Telefonen oder bei Tablet-PCs. Hinter all diesen für den Benutzer einfachen Operationen steckt eine ausgeklügelte Technik, die Hardware und Software miteinander kombiniert.

Alle Touchpads sind nach demselben Muster aufgebaut: Sie besitzen eine berührungsempfindliche Oberfläche und einen Kontroller, der die Signale an der Oberfläche misst und an ein Betriebssystem weitergibt. Das Betriebssystem übersetzt dann unsere Fingerbewegungen in eine Mausbewegung und überträgt sie auf den Bildschirm. Das Tippen auf die Oberfläche des Touchpads entspricht dabei einem Mausklick, zieht man zwei Finger von der Mitte auseinander, kann man das Bild auf dem Bildschirm vergrößern und mit drei oder vier Fingern, die über die Oberfläche wischen, lassen sich Seiten und Bilder durchblättern. Die Hardware, welche die Signale erzeugt, kann dabei auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen.

Am weitesten verbreitet sind resistive und kapazitive Touchpads.

Resistives Prinzip

Die Grafik zeigt die beiden Schichten, an der unteren ist eine Spannung von links nach rechts angelegt, an der oberen von oben nach unten.
Touchresistives Prinzip

Resistive Touchpads benötigen den Druck, der von einem Finger oder einem anderen Gegenstand auf die Oberfläche ausgeübt wird. Die berührungsempfindliche Oberfläche des Touchpads besteht hierbei aus zwei leitfähigen Indiumzinnoxid (ITO)-Schichten, die durch kleine Abstandshalter getrennt sind. Die untere Schicht ist auf eine feste und stabile Grundfläche aufgetragen, während die obere Schicht von außen mit dehnbarem Polyester überzogen ist. Berührt man die Polyesterschicht, wird die obere ITO-Schicht auf die untere gedrückt. Um die Position der Druckstelle zu ermitteln, wird abwechselnd an der einen und Millisekunden später an der anderen leitfähigen Schicht eine Gleichspannung angelegt. Diese Spannungen verlaufen senkrecht zueinander und fallen jeweils von einem Rand zum gegenüberliegenden Rand gleichmäßig ab. Da die beiden Schichten an der Druckstelle kurzzeitig miteinander verbunden sind, fließt hier ein Strom. Anhand der dadurch hervorgerufenen Spannungsänderungen kann die Position der Druckstelle dann eindeutig ermittelt werden. Die Koordinaten leitet der Kontroller an das Betriebssystem weiter. Bei diesem Prinzip sind immer zwei Schichten für die Messung nötig: An einer liegt jeweils die Spannung an, die andere übermittelt die Position in einer Richtung.

Resistive Touchpads gelten als Vorreiter in der Touch-Technik, sind im Allgemeinen aber nicht multitouch-fähig. Das heißt, dass man sie nicht mit mehreren Fingern bedienen kann. Drückt man mit zwei oder mehr Fingern auf die Oberfläche, wird lediglich die Kontaktfläche der beiden ITO-Schichten verbreitert und die Finger können nicht einzeln erfasst werden. Der größte Nachteil dieser Technik ist aber, dass eine Koordinate immer mittels der oberen, biegsamen Schicht erfasst wird. Das konstante Biegen und Dehnen führt zu mikroskopischen Rissen in der ITO-Beschichtung, womit sich die elektrischen Eigenschaften ändern. Dies führt mit der Zeit dazu, dass die Ermittlung der Koordinate weniger genau wird. Allerdings lassen sich resistive Touchpads vergleichsweise kostengünstig herstellen und können mit jedem Gegenstand bedient werden. Dies ist besonders für Ärzte wichtig, die oft ihre medizinischen Geräte mit Gummihandschuhen bedienen müssen. Resistive Touchpads werden vor allem in älteren Handys oder in einigen Tablet-PCs und in der Medizin verwendet. Mittlerweile werden allerdings resistive Touchpads entwickelt, die auch multitouch-fähig sind und in der Industrie an Bedeutung gewinnen.

Kapazitives Prinzip

Zu sehen ist das Netz aus Elektroden mit positiven und negativen Ladungen. Alle Schnittpunkte sind mit den Mikrokontroller verbunden.
Touchkapazitives Prinzip

Kapazitive Touchpads benötigen im Gegensatz zur resistiven Technik keinen Druck. Sie sind aus einem zweischichtigen Koordinatennetz aus Elektroden aufgebaut, die sich in einer Schicht als Spalten und in der anderen als Zeilen anordnen. Zwischen den Elektroden befindet sich ein isolierendes Material, ein sogenanntes Dielektrikum. An der unteren Seite ist ein Schaltkreis angebracht, der ständig die Kapazität an den Kreuzungspunkten der Elektroden misst. An der Oberseite sorgt eine isolierende Schutzschicht, üblicherweise aus Glas, dafür, dass die Elektroden nicht beschädigt werden und der Finger gut über die Oberfläche gleiten kann. Diese Eigenschaft macht das kapazitive Touchpad weitaus robuster als das resistive Touchpad. Da ein Finger elektrisch leitend ist, können Ladungen an ihm abfließen, sobald er die Oberfläche des Touchpads berührt. Dadurch ändert sich das elektrostatische Feld zwischen den Elektroden und führt zu einer messbaren Änderung in der Kapazität. Wenn sich der Finger über die Oberfläche bewegt, ändert sich die Kapazität an den verschiedenen Elektrodenschnittpunkten. Die Änderungen werden allesamt von einem Mikrokontroller erfasst und an das Betriebssystem weitergeleitet. Dieses übersetzt die Signale in einen „Klick“ oder eine Bewegung auf dem Bildschirm. Kapazitive Touchpads sind multitouch-fähig, da sie die Kapazität im gesamten Koordinatennetz ständig messen und die Eingaben einzelner Finger getrennt registrieren können. Damit unterscheiden sie sich von resistiven Touchpads. Der Nachteil des kapazitiven Prinzips ist jedoch, dass nur leitende Gegenstände verwendet werden können, um das Touchpad zu bedienen. Andere Objekte wie Stifte, Fingernägel oder Handschuhe zeigen keine Wirkung. Das kapazitive Prinzip wird für Smartphones und Tablet-PCs verwendet. Aber auch 99 Prozent aller Laptops enthalten kapazitive Touchpads.

Weitere Techniken

Grafiktabletts – große Touchpads, auf denen man wie auf Papier mit einem Eingabestift zeichnen kann – oder Tablet-PCs beruhen manchmal auf einem induktiven Prinzip. Dazu ist allerdings ein spezieller Eingabestift mit einer integrierten Spule notwendig. Dieser Stift beeinflusst eine Leiterplatte unter der Touchpadoberfläche, die mithilfe von Antennenspulen die Koordinaten des Eingabestiftes bestimmt.

Das Schaubild zeigt, wie ein Finger das Gitternetz aus Lichtstrahlen unterbricht, indem er die Oberfläche des Bildschirms berührt.
Infrarot-Touchscreen

Eine etwas kostenaufwendigere Technik bietet die Verwendung von Infrarot-LEDs, wie sie in neu entwickelten, sehr großen Touchscreens genutzt wird. Dort bildet am Rand des Bildschirms eine Reihe von kleinen Infrarotleuchtdioden ein Gitter aus Lichtstrahlen, die auf der anderen Seite mit Fotodetektoren ausgelesen werden. Kommt ein Finger oder ein anderer Gegenstand zwischen LED und Detektor, wird der Strahlengang unterbrochen und es kommt zu einem messbaren Signalabfall am Fotosensor. Damit kann der Kontroller den Berührungspunkt orten und gibt diesen wieder als Signal an eine Software weiter. Da die Oberfläche des Bildschirms nicht beschichtet ist, bietet diese Technik eine hohe Lichtdurchlässigkeit und eignet sich sehr gut für Touchscreens. Allerdings sind die beschränkte Lebensdauer der Leuchtdioden und eine grobe Ortsauflösung die größten Nachteile dieser Technologie.