Laitevalmistajien pitää vähentää kosketusnäyttöjen kustannuksia. Tämä onnistuu esimerkiksi älykkäillä suunnitteluvalinnoilla, kuten artikkelimme osoittaa.

Artikkelin ovat kirjoittaneet Cypressillä Truetouch-tuotteiden markkinoinnista vastaavat Chitiz Mathema ja  Christiana Wu. Chitizillä on yhdeksän vuoden kokemus suunnittelusta ja tuotemarkkinoinnista. Hän on valmistunut Mississippi Staten yliopistosta. Christianalla on sähköinsinöörin sekä suunnittelun ja muotoilun tutkinnot Washingtonin yliopistosta.

Kosketusnäyttö ei ole enää uutta tekniikkaa. Laitevalmistajien kova kilpailu on johtanut siihen, että kosketuslaitteiden hinta on laskenut. Valmistajien täytyykin kehittää uusia tapoja alentaakseen kustannuksia ja parantaakseen katteitaan. Kosketusnäyttö - joka on yksi älypuhelimen tai tabletin kalliimmista moduuleista - voidaan suunnitella laitteeseen edullisemmin, mikä kasvattaa laitevalmistajan tuotekatetta.

Kuva 1: Standardi kosketusnäyttöjärjestelmä

Tyypillinen kosketusnäyttö koostuu kapasiteettisesta kosketusanturikalvosta, joka on laminoitu suojaavaan lasikerrokseen, joustavasta piirilevystä, johon näytön ohjain on istutettu ja näytöstä. Joustava laattaliitin yhdistää kosketusnäytön ohjaimen laitteen isäntäprosessoriin. Näyttö on kosketusanturikalvon alla ja yleensä välissä on ilmarako. Näyttö voi olla myös suoraan laminoitu kosketuskalvoon.

Järjestelmänsuunnittelijan täytyy ymmärtää, miten kukin komponentti vaikuttaa järjestelmän hintaan ja suorituskykyyn. Kummatkin voi optimoida älykkäillä suunnitteluvalinnoilla.

Lasipinta ja kosketusanturi

Suojakuori on kosketusjärjestelmän ylin fyysinen kerros. Sen hinta riippuu esimerkiksi käytetystä materiaalista (lasi tai polymetyyliakrylaatti, PMMA), pinnoitteista (öljyä tai vettähylkivä) ja kameralle tai antureille tehtyjen reikien määrästä. Ylimmän kerroksen hintaa voi laskea jopa puolella käyttämällä polymetyyliakrylaattia, joka on halvempi, kevyempi ja iskuja kestävä vaihtoehto lasille. PMMA-anturit kuitenkin kärsivät hieman heikommasta signaaliherkkyydestä. Lisäksi, koska PMMA on lasia joustavampaa, se voi taipua kun pintaa painetaan kovaa sormella tai esimerkiksi ohjauskynällä. Paneelin taipuminen voi johtaa vääränlaisiin reaktioihin kosketuksessa. Jos kosketusanturissa on lasialusta tai erilinen suojakerros, paneelin taipuminen voidaan välttää. Siksi pintakerros täytyy valita erityisen tarkkaan tarkkaan paneelin rakenteen mukaan.

Kuva 2: Kosketusnäyttöjen rakenteet

Kosketusnäytön anturit ovat kompleksisia rakenteita. Ne valmistetaan suihkuttamalla indium-tina-oksidia (ITO) lasille tai PET-kalvolle (polyethylene terephthalate). Sen jälkeen etsaamalla tuotetaan ITO-kalvoon haluttu kuvio. Kuviot ja rakenteet, jotka muodostavat jokaisen anturikerroksen, ovat aina asiakaskohtainen osa kosketusnäyötn suunnittelua. Tyypillinen kosketusnäyttö koostuu kahdesta ITO-kerroksesta (kuten Cypressin MH3 ja Diamonds-anturit kuvassa 2), joilla päästään hyvään tarkkuuteen, lineaarisuuteen ja monikosketustoimintoihin. Kaksikerrosrakenteet käyttävät joko lasi- tai PET-alustaa. PET-kalvo on halvempi ja immuunimpi näytön aiheuttamalle kohinalle, mutta ajan myötä kalvon kirkkaus heikkenee. Loppujen lopuksi tehokkain tapa alentaa kosketusnäytön kustannuksia on vähentää rakenteen kerrosten määrää.

Käyttämällä yksikerroksista anturirakennetta, kuten Cypressin LCS-ratkaisua (Low Cost Sensor), suunnittelijat voivat pienentää kustannuksia jopa 50 prosenttia. Mitä vähemmän kerroksia rakenteessa on, sitä enemmän kustannuksia voidaan leikata. Pienempi määrä kerroksia merkitsee myös parempaa saantoa tuotannossa. Edulliset yksikerroksiset kosketusnäytöt käyttävät yhtä PET-alustaa, jossa kuvion yksinkertaisuus tuo hyvän läpinäkyvyyden. Suorituskykyä arvioitaessa yksikerroksisten anturirakenteiden suorituskyky on alhaisempi. Kosketus ei ole niin tarkka, eikä näyttö yleensä tue monikosketusta (niitä voidaan ohjata yhdellä, korkeintaan kahdella sormella).

Edulliset yksikerroksiset ratkaisut ovat ihanteellisia halvempiin älypuhelimiin ja ns. feature-puhelimiin. Jos suunnittelijat ovat aiemmin käyttäneet resistiivisiä kosketusnäyttöjä tai eivät kosketusnäyttöjä lainkaan, yksikerroksinen rakenne sopinee parhaiten heidän tarpeisiinsa ja budjettiin. Resistiivisiin näyttöihin verrattuna yksikerroksinen kapasitiivinen näyttö tuo monia etuja, joita ovat parempi läpinäkyvyys, pienempi tehonkulutus, parempi kestävyys ja parantunut käyttäjäkokemus.

Yksikerroksiset monikosketusnäytöt kuten Cypressin SLIM (Single-Independent Multi-touch) voivat alentaa kustannuksia jopa 40 prosenttia kaksikerroksiseen anturiratkaisuun verrattuna. Yksikerroksinen ratkaisu merkitsee hieman alempaa suorituskykyä, mutta toisaalta niillä voidaan toteuttaa ohuempi laite. Yksikerroksinen monikosketusanturi voidaan tehdä myös ilman reuna-alueen anturointia, joten kosketuksen aluetta voidaan laajentaa. Suunnittelijoille, jotka haluavat sekä pienempiä kustannuksia että ohuempia laiteratkaisuja, yksikerroksinen anturirakenne on houkutteleva vaihtoehto.

Pienemmät näyttökoot ovat selvästi edullisempia. Näytön aktiivisen alueen koko vaikuttaa suoraan kosketusnäytön hintaan, joten järjestelmäsuunnittelijoiden pitää pohtia kaikkia eri vaihtoehtoja suunnittelun optimoimiseksi.

Liitännän suunnittelu

Laitekustannuksia voidaan alentaa myös liitäntäsuunnittelun avulla. Joustava laattaliitin (FPC) liittää yksittäiset anturien I/O:t kosketusnäytön ohjainpiiriin, ja ohjaimesta laitteen isäntäprosessoriin.

Taipuisa liitäntäkaapeli voi olla joko aktiivinen tai passiivinen. Aktiivisessa kosketusnäytön ohjain ja muut tarvittavat komponentit asennetaan itse kaapeliin. Passivinen kaapeli sisältää vain reititinjohdot: ohjain sekä muut ulkoiset komponentit sijaitsevat erillisellä piirilevyllä. Liitäntä voidaan reitittää usealla eri tavalla. Mitä tehokkaampi ja monipuolisempi liitäntä on, sitä helpompaa muiden komponenttien integroiminen on. Kannattaa kuitenkin muistaa, että kustannukset kasvavat jokaisen reitityskerroksen myötä. Järkevä reititys yhdessä kerroksessa auttaa pitämään liitännän kustannukset minimissä. Yksikerroksinen reititys parantaa myös signaalin eheyttä ja tekee PCB- eli piirilevysuunnittelusta yksinkertaisemman.

Näytöt

Kosketusnäyttöjärjestelmässä kapasitiivinen anturikalvo on näytön päällä. Näytöt ovat luonnostaan kohinaisia, mikä voi johtaa häiriöihin kosketusanturin toiminnassa. Kosketuksen herkkyys voi heikentyä ja tuottaa vääriä reaktioita kosketukseen. Hyvät suunnitteluvalinnat voivat pienentää näytön kohinaa ja vaikuttaa merkittävästi sekä kosketusnäytön suorituskykyyn että sen kustannuksiin.

Kuva 3. Näytön kohina kosketusnäyttöjärjestelmässä

Kohinan eristääkseen valmistajat ovat tyypillisesti lisänneet yhden suojaavan ITO-kerroksen näytön ja anturikalvon väliin. Vaikka ratkaisu on tehokas, suojakerros lisää kustannuksia ja kasvattaa moduulin paksuutta. Vaihtoehtoisesti näytön ja anturikerroksen väliin voidaan jättää pieni, tyypillisesti 0,2-0,5 millin ilmarako. Se on edullisempi ratkaisu, mutta kasvattaa myös moduulin paksuutta, mitä laitevalmistajat eivät halua. Tätäkin tärkeämpi suunnitteluvalinta kohdistuu itse näyttöön.

Matkapuhelimien ja tablettien suosituimmat näytöt ovat edelleen TFT LDC -ruutuja, joita on saatavilla DCVCOM- ja ACVCOM-tyyppisinä. sErot tulevat siitä, ajetaanko elektrodikerrosta (VCOM) tasa- vai vaihtojännitteellä. Kalliimmissa laitteissa AMOLED-näyttö kasvattaa suosiotaan koko ajan leveän katselukulmansa, paremman kirkkausten ja konstrastinsa, matalan tehonkulutuksen ja ohuemman rakenteensa ansiosta.

AMOLED on yksi vähäkohinaisimpia näyttötekniikoita, mutta se on myös kallis. DVCOM on yleisesti ottaen myös vähäkohinainen, mutta kallis. ACVCOM on sen sijaan suhteellisen edullinen, mutta suurikohinainen tekniikka. Näytön valinta riippuu suuresti siitä, mitä laitteelta halutaan. Loppukäyttö määrittelee laite- ja suorituskykyvalinnat.

Kosketusohjain

Vaikka ohjainpiiri ei ole yhtä kallis komponentti kuin näyttö tai kosketuspaneeli, sen valinnalla on eniten vaikutusta kosketusnäyttöjärjestelmän suorituskykyyn. Ohjain yhdistää kapasitiivista aistimista ja prosessointia päätelläkseen sormen painallukset ja eleet, ja raportoimalla sen sijainnin ja liikkeet isäntäprosessorille. Kun sormi asetetaan kapasitiiiviselle kosketusruudulle, ohjain havaitsee muutoksen kapasitanssissa ja muuntaa tämän informaation digitaalisiksi arvoiksi. Tätä muunnosta käsitellään edelleen edistyneillä kosketuksen tarkkuusalgoritmeilla ohjaimessa ennen kuin koordinaatit ja muu oleellinen informaatio lähetetään isäntäprosessorille.

Iso tekninen haaste kosketusnäytöissä on kohinalle herkkien signaalien käsittely. Niissä on pakko käyttää ohjaimia, joissa on laadukkaat analogiaosat, sisäänrakennettu kohinankäsittely ja edistyneitä signaalinkäsittelyn algoritmeja. Kosketusohjaimen laatu vaikuttaa suoraan loppukäyttäjän käyttökokemukseen, joten oikean ohjaimen valinta on keskeistä kosketusnäytön suorituskyvyn ja aiemmin esillä olleen kustannusedun kannalta.

Ohjain, jossa on suuri signaali-kohinasuhde (SNR) ja tehokas kohinan käsittely, pystyy kompensoimaan signaalin heikkenemistä, joka aiheutuu erilaisista kohinan lähteistä. Tällaisia ovat esimerkiksi näytön halvempi pintakerros tai kohinainen ACVCOM-näyttö. Jotta edullisen monikosketusta tukevan yksikerroksisen näytön suotuskyky voidaan optimoida, ohjaimen algoritmien pitää tukea tätä. Lisäksi yksikerroksisen liitäntäreitityksen edut voidaan saavuttaa vain, jos ohjaimen nastoitus tukee joustavaa reitityksen suunnittelua.

Kosketusohjaimet voivat vähentää järjestelmäkustannuksia muös eräillä edistyneillä lisäominaisuuksilla. Useimmar ohjaimet tulkitsevat esimerkiksi veden näytön päällä sormeksi, koska veden ja sormen kapasitanssikuvat (capacitance signature) ovat lähellä toisiaan. Tämän ratkaisuksi kosketusnäytön valmistaja voi lisätä kalliin vettähylkivän pinnoituksen näytön pintaan. Kun vesipisarat putoavat pinnalle, vettähylkivä pinta rikkoo pisarat pienemmiksi, jolloin näyttö ei enää rekisteröi niitä kosketuksina. Kosketusohjain voi myös tukea natiivisti veden hylkimistä algoritmeissaan, mikä säästää laitevalmistajan lisäpinnoituskustannuksilta.

Osaavat suunnittelijat, jotka ymmärtävät läpikotaisin kosketusnäyttöjärjestelmän ja sen avainkomponentit, voivat merkittävästi alentaa kustannuksia älykkäillä suunnitteluvalinnoilla, sekä suojalasin, anturimateriaalin ja -rakenteen, näyttötyypin ja liitännän valinnoilla. Kun valitaan innovatiivinen ja suorituskykyinen kosketusnäytön ohjain voidaan kustannuksia laskea ilman, että suorituskyvystä täytyy tinkiä. Suorituskyky on kuitenkin lopulta se tekijä, jolla lopputuotteita myydään.