Ein OLED-Display liefert tiefes Schwarz. Für die Bedienung mit dem Finger braucht es zusätzlich feine Sensoren. Wie erkennt ein Bildschirm durch Glas hindurch, wo wir ihn berühren? Dahinter steckt ein elektrisches Messverfahren, das auch mehrere Finger auseinanderhalten kann.

Ein unsichtbares Raster unter dem Glas

Bei einem kapazitiven Touchscreen liegen unter dem Deckglas feine, leitfähige Elektroden. Sie bilden ein Sensorfeld, oft als Raster aus Zeilen und Spalten. Dieses „Capacitive Grid“ ist vom Raster der leuchtenden Bildpunkte zu unterscheiden.



Damit das Bild sichtbar bleibt, kommen durchsichtige Leiter oder sehr feine Metallnetze infrage. Ein verbreitetes Material ist Indiumzinnoxid, kurz ITO. Apple beschreibt solche Materialien auch in eigenen Patentschriften zu Touchsensoren.

Die Elektroden bilden kleine elektrische Kapazitäten. Vereinfacht beschreiben diese, wie viel Ladung sich bei einer bestimmten Spannung speichern lässt. Zwischen den Elektroden entstehen elektrische Felder, auf Englisch „Electrical Fields“. Diese reichen durch das isolierende Deckglas bis in dessen Umgebung.

Der Finger verändert das elektrische Feld

Unser Körper leitet elektrischen Strom. Nähert sich ein Finger dem Glas, beeinflusst er deshalb das Feld der Sensoren. Dafür braucht er keinen direkten Kontakt zu den leitfähigen Schichten.



Bei der sogenannten gegenseitigen Kapazitätsmessung sendet die Elektronik Signale über eine Gruppe von Elektroden. Eine zweite Gruppe empfängt sie. Der Finger verändert die elektrische Kopplung zwischen beiden. Typischerweise sinkt dabei die gemessene gegenseitige Kapazität.



Ein Steuerchip erfasst die kleinen Abweichungen vom unberührten Zustand. Aus dem Muster mehrerer benachbarter Messstellen berechnet er die Position der Berührung. Das Glas muss dafür nicht eingedrückt werden.

Warum mehrere Finger kein Rätsel sind

Das Sensorfeld wird fortlaufend abgetastet. So lassen sich mehrere Berührungsstellen gleichzeitig verfolgen. Die Software kann daraus etwa das Spreizen zweier Finger zum Vergrößern eines Fotos erkennen.

Daneben gibt es die Eigenkapazitätsmessung. Sie erfasst die Kapazität einzelner Elektroden gegenüber dem elektrischen Bezugspotenzial des Geräts. Diese Methode eignet sich auch zur empfindlichen Erkennung naher Objekte.

Beide Verfahren lassen sich kombinieren. Apple beschreibt entsprechende Sensorfelder in einem Patent. So können sich die Stärken der beiden Messmethoden ergänzen.

Anders arbeiten resistive Touchscreens: Druck bringt zwei leitfähige Schichten miteinander in Kontakt. Kapazitive Sensoren benötigen diesen mechanischen Kontakt im Inneren nicht.

Der Touch-Layer muss keine zusätzliche Folie sein

OLED bezeichnet die Bilderzeugung, nicht die Erkennung von Berührungen. Für die Touchfunktion gibt es verschiedene Bauweisen.



Bei „Add-on“ sitzen die Elektroden auf einem zusätzlichen Träger, der mit dem Display verbunden wird. Bei „On-cell“ entstehen sie direkt auf der oberen Struktur des Panels. Bei flexiblen OLEDs kann das die dünne Schutzverkapselung sein. Sie schützt die empfindlichen Leuchtschichten.

Das spart einen separaten Träger und ermöglicht dünnere Displays. Samsung Display nennt seine integrierte Technik OCTA. Seit 2023 bietet Samsung Display sie auch für Laptop-Panels an.

Unterschiede gab es bereits innerhalb einer geplanten iPhone-Generation. UBI Research beschrieb 2020 für die kommende iPhone-12-Reihe sowohl Add-on- als auch On-cell-Panels. „Touch-Layer“ bezeichnet also eine Funktion, nicht zwingend eine separate Folie.

Was bei einem großen Bildschirm zählt

Mehr Fläche verlangt bei vergleichbarer Sensordichte mehr Messstellen. Samsung Display nennt genau das als Herausforderung seiner integrierten Laptop-Technik. Die Elektronik muss kleine Änderungen schnell und zuverlässig auswerten.

Auch Bildaufbau und Berührungserkennung haben unterschiedliche Taktraten. Apple dokumentierte das schon beim ersten iPad Pro mit 12,9 Zoll: 60 Bildwechsel standen 120 Touch-Abtastungen pro Sekunde gegenüber. Für den Apple Pencil waren es 240.

Aus der Bildwiederholrate allein lässt sich deshalb nicht ableiten, wie häufig ein Bildschirm Berührungen erfasst. Für ein direktes Bediengefühl zählt die gesamte Kette: Sensor, Auswertung, Software und die anschließende Darstellung.

Quellen:
Microchip: Kapazitive Touchsensoren
Apple: Patent US11347366B2
Samsung Display: Integrierte Touchsensoren für Laptops
UBI Research: Geplante Touchbauweisen der iPhone-12-Reihe, 2020
Apple: Touch-Abtastung und Bildwiederholrate