– Den stora utmaningen inom kapacitiv pekteknik är signalbrusförhållandet. Du kan aldrig ha tillräckligt. Ett typiskt chip på marknaden har runt 55 dB SNR, kanske lite högre, vårt har 80 dB, konstaterar Chris Ard, en av fyra grundare av Touchnetix.

Chris Ard vet vad han talar om när det gäller kapacitiva peksensorer. Tidigare har han varit affärsutvecklingsansvarig på Quantum Research Group, som startade 1996 och fick över 30 patent på området.

År 2008 köpte Atmel brittiska Quantum Research. Och året därpå lanserade Atmel Maxtouch, en familj kapacitiva trycksensorer med rötter i teknik från Quantum Research. Den lanserades hårt med orden "banbrytande obegränsad multpekteknik”.

– Två år efter köpet lämnade jag och tre kollegor Atmel, säger Chris Ard.

 – Atmel var jättebra på de stora volymerna, men vi insåg att företaget inte brydde sig om volymer under 100 000 enheter. Så vi tänkte att vi drar igång ett som gör det, och startade Touchnetix.

Fast tajmingen var dålig med tanke på börschkraschen år 2008. Affärsmodellen blev att sälja pekskärmar, men också att erbjuda all systemkunskap fram till tillverkning. I fjol tjänade företaget med 12 anställda sex miljoner pund på pekskärmar.

– Hittills har vi främst använt Atmels kretsar, eller Micropchip som det är nu, men även lite Cypress och Synaptics. I de flesta fall fungerar det bra, men vissa tillämpningar är gränsfall.

Inom industrin är det framförallt EMC-störningar som är en väldigt svår uppgift för kapacitiv pek att klara.

– Så för några år sedan började vi fundera på att utveckla ett eget chip, som kunde göra allt det som de andra inte kan. Vi ville göra en krets för industri- och fordonstillämpningar.

Då var tajmingen bättre. Microchip köpte nämligen Atmel för två år sedan. I samband med det lämnade några av huvudkonstruktörerna till den välkända AVR-cpu:n företaget för att istället starta eget: Mywo i norska Trondheim.

Gaute Myklebust

 – Jag var en av tre som drog igång Atmels AVR-designcenter i Trondheim 1996. Under 20 år arbetade vi där och fick Atmel att gå från att vara ett minnes- till ett mcu-företag, berättar Gaute Myklebust, numera teknikcef på Mywo.

Kort därpå slog det lilla teamet på Mywo och det något större teamet på Touchnetix ihop sina kompetenser för att skräddarsy en styrkrets för kapacitiva pekskärmar till industrin. Det norska företaget har gjort kiseldesignen, medan det brittiska stått för systemkompetensen inklusive firmware och signalbehandling.

Nu är Touchnetix redo att berätta om resultatet av samarbetet, som ska säljas av Touchnetix.

Nyckeln i utvecklingsarbetet har, som sagt, varit signalbrusförhållandet.

– Ett högt SNR gör att man kan hantera bredbandigt brus och även specifika störande frekvenser. I exempelvis marina eller polistillämpningar kan det finnas vissa specifika frekvenser som måste undvikas, säger Chris Ard, och tillägger:

– Högt SNR medför också att man kan arbeta med tjockare glas på skärmen. I exempelvis en mobil är glaset idag maximalt 0,5 mm, medan det i en industriprodukt är minst 4 mm, och går upp till 15 mm i exempelvis en ATM-maskin.

Det enklaste sättet att förbättre signalbrusförhållandet är att öka matningsspänningen, eftersom en dubblerad drivspänning i princip dubblerar SNR.

 –  Vi har konkurrenter som använder upp till 40 V, vilket ger hög stress på materialet i pekskärmen. Vi driver med 2,5 V topp-till-topp och får ändå 80 dB SNR, säger Gaute Myklebust.

Hur företaget gör vill han först inte avslöja, men han går med på att förklara på hög nivå.

Tänk dig att du har ett rutnät med sändare på baksidan och mottagare på framsidan. När du nuddar på skärmen läcker det lite laddning ut till ditt finger. Det är så man mäter skillnaden mellan att något nuddar och inte.

Chipet från Touchnetix använder ett mycket smalbandigt filter för att skicka ut en specifik frekvens, som kan styras mellan typiskt 100–500 kHz. På mottagarsidan sitter ett filter på några kHz.

– Det gör kretsen nästan helt immun mot brus, säger Gaute Myklebust.

– Samtidigt driver vi med en sinussignal när andra använder en fyrkantsvåg. Så vi har extremt bra kontroll på energin som vi skickar ut och det hjälper oss också på EMC-sidan, eftersom vi enbart emitterar på en frekvens.

Vad Axiom – som kretsen heter – innehåller är också ovisst, men på en direkt fråga om ett blockdiagram tar Gaute Myklebust upp ett papper och skissar. Det blir ett enkelt blockdiagram som visar en analog front-end (AFE), en DSP, en cpu, flash, RAM samt IO:s.

Det två kritiska delarna på chipet är enligt företaget AFE:n, vars funktion redan beskrivits, och DSP:n.

– Vi använder en väldigt avancerad DSP på mottagarsidan, som våra matematiker skräddarsytt för att konditionera informationen innan den presenteras för cpu-kärnan som kommunicerar med världen utanför, säger Chris Ard.

Genom att använda en avancerad DSP som rensar upp signalen innan den tas över av cpu:n blir systemet många gånger snabbare än alternativen på marknaden, hävdar företaget som också avslöjar att det kör ett realtidsoperativsystem på chipet.

– Vissa kunder har en idé om vad de vill implementera, men en typiskt pekkrets tillåter inte att andra lägger in kod i den. Vi tillåter att kunden addera extra kod, exempelvis extra funktioner eller att den ska vara mer kapabel i vissa miljöer, utan att några av kretsens basfunktioner ändras, säger Chris Ard.

– Det behöver inte vara funktioner relaterade till pek, eftersom vi har en extra processor och minneskapacitet på chipet, påpekar Gaute Myklebust.

Samtidigt påpekar företaget att kapacitiv pekteknik har samma för- som nackdel: den reagerar direkt vid beröring. Egenskapen gör att skärmen lätt kan triggas av misstag, vilket ökat kravet hos användare på så kallad force-sensing. Det betyder att skärmen uppför sig lite som gamla resistiva pekskärmar – du kan lägga fingret på ytan, men den accepterar närvaron först när du trycker till.

– Men inte bara det. Kravet nu är också att kunna erbjuda bra haptisk feedback. Vi har adderat båda dessa delar i vårt chip, säger Gaute Myklebust.

Han berättar att de utvecklat ett så kallat force-sensing-system speciellt för industri- och fordonstillämpningar. Likaså kan chipet styra en extern haptikkrets utan att blanda in värdsystemet.

– Det gör att vi kunnat minska fördröjningen från några hundra millisekunder till mellan tio och tjugo, så återkopplingen kommer direkt när du lägger på kraften, säger Gaute Myklebust.

Den första kretsen som företaget släpper stödjer typiska skärmstorlekar i nästa generation av bilar – upp till 15,6 tum.

– Men vi ska ta fram en krets för mindre skärmar, och vi kommer sannolikt också att göra det för större skärmar, säger Gaute Myklebust.

Den första kretsen är tillverkad hos TSMC i en embedded-flash-CMOS-process, och finns att få i prover. Planen är att den ska vara i full produktion mot slutet av nästa år, och då vara helt kvalificerad för fordon.

– Just nu börjar vi processen där utvalda kunder kan testa och börja konstruera in kretsen i sina system, säger Chris Ard.