8. – 13. Schuljahr

Dennis Schumann und Alexander Pusch

Ein Touchscreen Marke Eigenbau

Kapazitive Touchscreen-Technologie vom Basteltisch

Man nehme Pappe, Draht, Widerstände sowie einen Arduino und fertig ist der wohl einfachste Touchscreen der Welt. So einfach ist es tatsächlich, eine Technologie nachzubauen, das wohl das auffälligste Merkmal technischer Geräte wie Smartphones oder Tablets ist: die kapazitive Oberfläche. Diese Technologie ermöglicht es uns, durch leichte Berührungen Apps zu öffnen und Mauszeiger mittels Touchpad zu bewegen. In diesem Artikel zeigen wir, wie kapazitive Oberflächen funktionieren und wie man einen Touchscreen mit statischer Anzeige mithilfe eines Arduinos selbst bauen kann (s. Abb. 1 ).
Alltagsanwendungen von Kondensatoren als Thema im Physikunterricht
Erarbeitet man im Physikunterricht die Themen Ladung und Kondensator samt den dazugehörigen Gesetzen z.B. an einem großen, schweren Plattenkondensator, so ist ein Alltagsbezug nicht ohne Weiteres ersichtlich. Dabei wird das Funktionsprinzip des Kondensators heutzutage in vielen Alltagsgegenständen mit Touchscreens und Touchpads technisch genutzt (vgl. [1], S. 10). Beim Wählen, Wischen und Zoomen werden wir Menschen dabei sogar Teil eines Kondensators und ändern dessen elektrische Eigenschaften. Wie das genau funktioniert und gemessen werden kann, erklären wir im folgenden Abschnitt.
Wie funktioniert die kapazitive Berührungsmessung?
Ein elektrischer Kondensator besteht aus zwei voneinander isolierten Elektroden, auf denen je eine Ladungsmenge Q Platz findet. Liegt eine Spannung U an, so teilen sich die positiven und negativen Ladungen auf die beiden Elektroden auf, wobei ein elektrisches Feld zwischen ihnen entsteht. Aus dem Quotienten aus Ladung und Spannung erhält man die Kapazität C des Kondensators. Die Kapazität ist u.a. auch abhängig davon, in welchem Isolator mit welcher Dielektrizitätszahl εr sich das elektrische Feld erstreckt: C = Q/Uεr. Für Luft beträgt die Dielektrizitätszahl εr nahezu 1 (1,00059) und für Wasser, den Hauptbestandteil des Menschen, ca. 80.
Ein Touchscreen besteht aus dünnen, durchsichtigen, leitenden Bahnen z.B. aus Indium-Zinn-Oxid. Sie fungieren als Elektroden, um die bei Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld entsteht. Die obige Formel gilt hier nur als Näherung. In [2] werden unterschiedliche Varianten kapazitiver Touchscreens beschrieben, wobei die Elektroden entweder untereinander oder mit ihrer Umgebung einen Kondensator bilden.
Wird ein Finger über den Elektroden positioniert, so ändert sich die Dielektrizitätszahl εr (von ca. 1 auf etwa 80) und damit die Kapazität des Kondensators deutlich. Die Kapazität kann durch verschiedene Messverfahren ermittelt werden (vgl. z.B. [2]).
Von der Ladezeit der Kondensatoren zur Bestimmung der berührten Screenstelle
Wir lassen beim hier vorgestellten Selbstbau-Touchscreen den Arduino die von der Kapazität abhängige Aufladezeit bestimmen. Diese wird gut messbar beeinflusst vom Vorhandensein bzw. Nicht-Vorhandensein des Fingers über den jeweiligen Elektroden.
Schauen wir uns dazu zuerst den Aufbau des Eigenbau-Touchscreens an (s. Abb. 2 ), um daran das Messverfahren zu verdeutlichen. Eine ausführliche Anleitung sowie der kommentierte Programmcode sind unter http://www.physikkommunizieren.de zu finden.
Funktionsweise des Touchscreen-Modells
Das Touchpad besteht aus einem kleinen Stück Pappe, auf das ein ebenso großes Stück Papier mit einem aufgedruckten Wahltastenfeld geklebt ist (s. Abb. 1 – 2). Über die Mitten der Tasten werden je horizontal und vertikal Kupferlackdrähte mit durchsichtigen Klebestreifen befestigt. Die Drähte sind durch ihren Lacküberzug sowie durch die Klebestreifen voneinander isoliert. Sie fungieren hier als sichtbar gemachte Leiterbahnen.
Da jeder der Kupferlackdrähte des Touchscreens auf die gleiche Art mit dem Arduino verbunden ist, betrachten wir der Einfachheit wegen erst einmal nur einen dieser Drähte. Über...

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