Design of Analog Front-End of Touch-Screen Controller with Enhanced Noise Immunity and Configurable SNR and Frame Rate

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2017. 2. 정덕균.A design of analog front-end (AFE) for touch-screen controller (TSC) with highly enhanced noise immunity and configurable signal-to-noise ratio (SNR) and frame rate is proposed. First, the AFE for the mobile TSC is presented, which provides a configurable SNR and frame rate. The AFE configures its SNR and frame rate by adjusting the sampling cycles of the employed ADC. The test chip is fabricated in a 0.18-μm CMOS process and occupies a 2.2-mm2 active area. The test chip achieves 60-dB SNR and 200-Hz frame rate with 12 × 8 TSP. The SNR can be adjusted from 40 to 67 dB, while the frame rate is then inversely scaled from 50 Hz to 6.4 kHz. The test chip consumes 6.26 mW from a 3.3-V supply. The AFE for the tablet TSC is also presented, which provides highly enhanced noise immunity and configurable SNR and frame rate. The proposed AFE provides TX channels of 36 and RX channels of 64 in order to support a large-size TSP. A multi-driving TX structure with frequency-hopping signal generator is employed to improve the SNR and noise immunity. For a suppression of severe noise interference injected through the TSP, the RX sensing block adopts pre-filtering differential sensing method and high-order noise filtering structure. The AFE supports configurable SNR and frame rate with on-chip frame-rate controller. The test chip is fabri-cated in a 0.18-μm CMOS process. The active area of the test chip is 36 mm2. A 12.2-inch TSP with TX channels of 36 and RX channels of 64 is used in the measurement. The test chip achieves 54-dB SNR and 120-Hz frame rate with a finger touch. The frame rate can be adjusted from 85 to 385 Hz. The test chip achieves up to 20-Vpp noise immunity. The test chip consumes 94.5 mW with a 3.3-V supply.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.2 THESIS ORGANIZATION 3 CHAPTER 2 BASIC STUDY ON TOUCH-SCREEN CONTROLLER 5 2.1 TOUCH-SCREEN PANEL 5 2.2 TOUCH-SCREEN CONTROLLER 8 2.2.1 OVERVIEW ON TSC 8 2.3 ANALOG FRONT-END OF TSC 11 2.3.1 PERFORMANCE METRIC 12 2.3.2 DESIGN ISSUES OF AFE 15 CHAPTER 3 AFE OF MOBILE TSC WITH CONFIGURABLE SNR AND FRAME RATE 18 3.1 OVERVIEW 18 3.2 SYSTEM ARCHITECTURE 21 3.3 CONFIGURABLE SNR AND FRAME RATE 23 3.4 MEASUREMENT RESULTS 29 CHAPTER 4 AFE OF TABLET TSC WITH ENHANCED NOISE IMMUNITY 35 4.1 OVERVIEW 35 4.2 DESIGN ISSUES BY LARGE-SIZE TSP 38 4.3 DESIGN ISSUES BY NOISE INTERFERENCE 40 4.3.1 NOISE INTERFERENCE 40 4.3.2 DISPLAY NOISE REJECTION TECHNIQUE 43 4.3.3 CHARGER NOISE FILTERING TECHNIQUE 46 4.3.4 HIGH-VOLTAGE TX TECHNIQUE 50 4.3.5 MULTI-DRIVING TX TECHNIQUE 52 4.4 PROPOSED ARCHITECTURE 66 4.4.1 TX DRIVING ARCHITECTURE 67 4.4.2 RX SENSING ARCHITECTURE 71 4.5 MULTI-DRIVING TX STRUCTURE 75 4.5.1 CONSIDERATIONS FOR TX MODULATION SEQUENCE 75 4.5.2 COMPARISON OF MODULATION SEQUENCES 76 4.5.3 MODIFIED BUSH-TYPE HADAMARD MATRIX 79 4.6 NOISE FILTERING RX 83 4.6.1 PRE-FILTERING DIFFERENTIAL SENSING METHOD 83 4.6.2 NOISE-IMMUNE SENSING STRUCTURE 87 4.6.3 CONFIGURABLE SNR AND FRAME RATE 106 4.6.4 RX MODULATION 112 4.7 CIRCUIT IMPLEMENTATION 120 4.7.1 CHARGE AMPLIFIER AND BAND-PASS FILTER 121 4.7.2 CAPACITIVE DIFFERENTIAL AMPLIFIER 123 4.7.3 MIXER AND RX MODULATION 125 4.7.4 LOW-PASS FILTER 127 4.7.5 INCREMENTAL ΔΣ ADC 128 4.7.6 DIGITAL DEMODULATION 130 4.7.7 TX DRIVING BLOCK 131 4.8 MEASUREMENT RESULTS 132 4.8.1 TOUCH-SCREEN PANEL (TSP) 132 4.8.2 MEASUREMENT ENVIRONMENTS 133 4.8.3 FABRICATED AFE 134 4.8.4 OPERATION OF THE FABRICATED AFE 135 4.8.5 SNR MEASUREMENT 139 4.8.6 CONFIGURABLE SNR AND FRAME RATE 139 4.8.7 NOISE IMMUNITY 141 4.8.8 COMPARISON WITH OTHER WORKS 157 CHAPTER 5 CONCLUSION 158 BIBLIOGRAPHY 160 초 록 170Docto

A Computer-based Touch-less 3D Controller Using Capacitive Sensing Method

This paper focuses on the application of touch-less interaction between human and computer using capacitive sensing technique. A computer–based analysis for touch-less 3D controller using capacitive sensing method in [1] is developed. In this project, Arduino UNO is used as a microcontroller to bridge the interface connection between the sensor hardware and the computer. This method uses capacitive based sensor as the main component to sense the gesture movement near it. The capacitive based sensing depends on the duration to charge a capacitor (known as the time constant). By placing an object within the electric field of a capacitor, it will immediately affect the capacitance value and it will correspond to the time constant. In the final analysis, the touch-less hardware will be linked to MATLAB software to study its characteristic and behavior. Using the data obtained from the analysis, a touch-less control from the hardware will control the computer keyboard. To show its additional functionality, a Google Earth program will display the ability of the touch-less interface

A Computer-Based Touch-Less 3D Controller Using Capacitive Sensing Method

This paper focuses on the application of touch-less interaction between human and computer using capacitive sensing technique. A computer–based analysis for touch-less 3D controller using capacitive sensing method in [1] is developed. In this project, Arduino UNO is used as a microcontroller to bridge the interface connection between the sensor hardware and the computer. This method uses capacitive based sensor as the main component to sense the gesture movement near it. The capacitive based sensing depends on the duration to charge a capacitor (known as the time constant). By placing an object within the electric field of a capacitor, it will immediately affect the capacitance value and it will correspond to the time constant. In the final analysis, the touch-less hardware will be linked to MATLAB software to study its characteristic and behavior. Using the data obtained from the analysis, a touch-less control from the hardware will control the computer keyboard. To show its additional functionality, a Google Earth program will display the ability of the touch-less interface

Grasp-sensitive surfaces

Grasping objects with our hands allows us to skillfully move and manipulate them. Hand-held tools further extend our capabilities by adapting precision, power, and shape of our hands to the task at hand. Some of these tools, such as mobile phones or computer mice, already incorporate information processing capabilities. Many other tools may be augmented with small, energy-efficient digital sensors and processors. This allows for graspable objects to learn about the user grasping them - and supporting the user's goals. For example, the way we grasp a mobile phone might indicate whether we want to take a photo or call a friend with it - and thus serve as a shortcut to that action. A power drill might sense whether the user is grasping it firmly enough and refuse to turn on if this is not the case. And a computer mouse could distinguish between intentional and unintentional movement and ignore the latter. This dissertation gives an overview of grasp sensing for human-computer interaction, focusing on technologies for building grasp-sensitive surfaces and challenges in designing grasp-sensitive user interfaces. It comprises three major contributions: a comprehensive review of existing research on human grasping and grasp sensing, a detailed description of three novel prototyping tools for grasp-sensitive surfaces, and a framework for analyzing and designing grasp interaction: For nearly a century, scientists have analyzed human grasping. My literature review gives an overview of definitions, classifications, and models of human grasping. A small number of studies have investigated grasping in everyday situations. They found a much greater diversity of grasps than described by existing taxonomies. This diversity makes it difficult to directly associate certain grasps with users' goals. In order to structure related work and own research, I formalize a generic workflow for grasp sensing. It comprises *capturing* of sensor values, *identifying* the associated grasp, and *interpreting* the meaning of the grasp. A comprehensive overview of related work shows that implementation of grasp-sensitive surfaces is still hard, researchers often are not aware of related work from other disciplines, and intuitive grasp interaction has not yet received much attention. In order to address the first issue, I developed three novel sensor technologies designed for grasp-sensitive surfaces. These mitigate one or more limitations of traditional sensing techniques: **HandSense** uses four strategically positioned capacitive sensors for detecting and classifying grasp patterns on mobile phones. The use of custom-built high-resolution sensors allows detecting proximity and avoids the need to cover the whole device surface with sensors. User tests showed a recognition rate of 81%, comparable to that of a system with 72 binary sensors. **FlyEye** uses optical fiber bundles connected to a camera for detecting touch and proximity on arbitrarily shaped surfaces. It allows rapid prototyping of touch- and grasp-sensitive objects and requires only very limited electronics knowledge. For FlyEye I developed a *relative calibration* algorithm that allows determining the locations of groups of sensors whose arrangement is not known. **TDRtouch** extends Time Domain Reflectometry (TDR), a technique traditionally used for inspecting cable faults, for touch and grasp sensing. TDRtouch is able to locate touches along a wire, allowing designers to rapidly prototype and implement modular, extremely thin, and flexible grasp-sensitive surfaces. I summarize how these technologies cater to different requirements and significantly expand the design space for grasp-sensitive objects. Furthermore, I discuss challenges for making sense of raw grasp information and categorize interactions. Traditional application scenarios for grasp sensing use only the grasp sensor's data, and only for mode-switching. I argue that data from grasp sensors is part of the general usage context and should be only used in combination with other context information. For analyzing and discussing the possible meanings of grasp types, I created the GRASP model. It describes five categories of influencing factors that determine how we grasp an object: *Goal* -- what we want to do with the object, *Relationship* -- what we know and feel about the object we want to grasp, *Anatomy* -- hand shape and learned movement patterns, *Setting* -- surrounding and environmental conditions, and *Properties* -- texture, shape, weight, and other intrinsics of the object I conclude the dissertation with a discussion of upcoming challenges in grasp sensing and grasp interaction, and provide suggestions for implementing robust and usable grasp interaction.Die Fähigkeit, Gegenstände mit unseren Händen zu greifen, erlaubt uns, diese vielfältig zu manipulieren. Werkzeuge erweitern unsere Fähigkeiten noch, indem sie Genauigkeit, Kraft und Form unserer Hände an die Aufgabe anpassen. Digitale Werkzeuge, beispielsweise Mobiltelefone oder Computermäuse, erlauben uns auch, die Fähigkeiten unseres Gehirns und unserer Sinnesorgane zu erweitern. Diese Geräte verfügen bereits über Sensoren und Recheneinheiten. Aber auch viele andere Werkzeuge und Objekte lassen sich mit winzigen, effizienten Sensoren und Recheneinheiten erweitern. Dies erlaubt greifbaren Objekten, mehr über den Benutzer zu erfahren, der sie greift - und ermöglicht es, ihn bei der Erreichung seines Ziels zu unterstützen. Zum Beispiel könnte die Art und Weise, in der wir ein Mobiltelefon halten, verraten, ob wir ein Foto aufnehmen oder einen Freund anrufen wollen - und damit als Shortcut für diese Aktionen dienen. Eine Bohrmaschine könnte erkennen, ob der Benutzer sie auch wirklich sicher hält und den Dienst verweigern, falls dem nicht so ist. Und eine Computermaus könnte zwischen absichtlichen und unabsichtlichen Mausbewegungen unterscheiden und letztere ignorieren. Diese Dissertation gibt einen Überblick über Grifferkennung (*grasp sensing*) für die Mensch-Maschine-Interaktion, mit einem Fokus auf Technologien zur Implementierung griffempfindlicher Oberflächen und auf Herausforderungen beim Design griffempfindlicher Benutzerschnittstellen. Sie umfasst drei primäre Beiträge zum wissenschaftlichen Forschungsstand: einen umfassenden Überblick über die bisherige Forschung zu menschlichem Greifen und Grifferkennung, eine detaillierte Beschreibung dreier neuer Prototyping-Werkzeuge für griffempfindliche Oberflächen und ein Framework für Analyse und Design von griff-basierter Interaktion (*grasp interaction*). Seit nahezu einem Jahrhundert erforschen Wissenschaftler menschliches Greifen. Mein Überblick über den Forschungsstand beschreibt Definitionen, Klassifikationen und Modelle menschlichen Greifens. In einigen wenigen Studien wurde bisher Greifen in alltäglichen Situationen untersucht. Diese fanden eine deutlich größere Diversität in den Griffmuster als in existierenden Taxonomien beschreibbar. Diese Diversität erschwert es, bestimmten Griffmustern eine Absicht des Benutzers zuzuordnen. Um verwandte Arbeiten und eigene Forschungsergebnisse zu strukturieren, formalisiere ich einen allgemeinen Ablauf der Grifferkennung. Dieser besteht aus dem *Erfassen* von Sensorwerten, der *Identifizierung* der damit verknüpften Griffe und der *Interpretation* der Bedeutung des Griffes. In einem umfassenden Überblick über verwandte Arbeiten zeige ich, dass die Implementierung von griffempfindlichen Oberflächen immer noch ein herausforderndes Problem ist, dass Forscher regelmäßig keine Ahnung von verwandten Arbeiten in benachbarten Forschungsfeldern haben, und dass intuitive Griffinteraktion bislang wenig Aufmerksamkeit erhalten hat. Um das erstgenannte Problem zu lösen, habe ich drei neuartige Sensortechniken für griffempfindliche Oberflächen entwickelt. Diese mindern jeweils eine oder mehrere Schwächen traditioneller Sensortechniken: **HandSense** verwendet vier strategisch positionierte kapazitive Sensoren um Griffmuster zu erkennen. Durch die Verwendung von selbst entwickelten, hochauflösenden Sensoren ist es möglich, schon die Annäherung an das Objekt zu erkennen. Außerdem muss nicht die komplette Oberfläche des Objekts mit Sensoren bedeckt werden. Benutzertests ergaben eine Erkennungsrate, die vergleichbar mit einem System mit 72 binären Sensoren ist. **FlyEye** verwendet Lichtwellenleiterbündel, die an eine Kamera angeschlossen werden, um Annäherung und Berührung auf beliebig geformten Oberflächen zu erkennen. Es ermöglicht auch Designern mit begrenzter Elektronikerfahrung das Rapid Prototyping von berührungs- und griffempfindlichen Objekten. Für FlyEye entwickelte ich einen *relative-calibration*-Algorithmus, der verwendet werden kann um Gruppen von Sensoren, deren Anordnung unbekannt ist, semi-automatisch anzuordnen. **TDRtouch** erweitert Time Domain Reflectometry (TDR), eine Technik die üblicherweise zur Analyse von Kabelbeschädigungen eingesetzt wird. TDRtouch erlaubt es, Berührungen entlang eines Drahtes zu lokalisieren. Dies ermöglicht es, schnell modulare, extrem dünne und flexible griffempfindliche Oberflächen zu entwickeln. Ich beschreibe, wie diese Techniken verschiedene Anforderungen erfüllen und den *design space* für griffempfindliche Objekte deutlich erweitern. Desweiteren bespreche ich die Herausforderungen beim Verstehen von Griffinformationen und stelle eine Einteilung von Interaktionsmöglichkeiten vor. Bisherige Anwendungsbeispiele für die Grifferkennung nutzen nur Daten der Griffsensoren und beschränken sich auf Moduswechsel. Ich argumentiere, dass diese Sensordaten Teil des allgemeinen Benutzungskontexts sind und nur in Kombination mit anderer Kontextinformation verwendet werden sollten. Um die möglichen Bedeutungen von Griffarten analysieren und diskutieren zu können, entwickelte ich das GRASP-Modell. Dieses beschreibt fünf Kategorien von Einflussfaktoren, die bestimmen wie wir ein Objekt greifen: *Goal* -- das Ziel, das wir mit dem Griff erreichen wollen, *Relationship* -- das Verhältnis zum Objekt, *Anatomy* -- Handform und Bewegungsmuster, *Setting* -- Umgebungsfaktoren und *Properties* -- Eigenschaften des Objekts, wie Oberflächenbeschaffenheit, Form oder Gewicht. Ich schließe mit einer Besprechung neuer Herausforderungen bei der Grifferkennung und Griffinteraktion und mache Vorschläge zur Entwicklung von zuverlässiger und benutzbarer Griffinteraktion

A Systematic Approach to Verify an Embedded Capacitive Touchscreen System

The conspicuously massive growth in the number of products utilizing capacitive touchscreen technology has raised awareness of the technology. The embedded system used to detect and report finger touches to the host is fairly complex and difficult to verify. An automated verification system is required to systematically test this type of system in a reasonable amount of time. This thesis describes the framework for an automated verification system for embedded capacitive touchscreen systems. The framework includes a Cartesian desktop robot, test instruments, communications bridge, and custom-built test management software. The criteria for selecting a Cartesian desktop robot rather than a SCARA robot are discussed. The SCARA robot provides quicker but less precise movements, while the Cartesian desktop robot supports a larger payload and accommodates more touchscreen panels in its work envelope. The criteria for choosing to develop custom-built test management software instead of purchasing existing off-the-shelf test management are also discussed. Both solutions support hardware abstraction, verification procedures, procedure sequencing, and output of the results. The custom-built solution is more flexible, providing access to how the software framework is implemented and allowing adjustments as needed. Off-the-shelf solutions are limited in what customizations they support and often have unnecessary features that utilize valuable computing resources

The cockpit for the 21st century

Interactive surfaces are a growing trend in many domains. As one possible manifestation of Mark Weiser’s vision of ubiquitous and disappearing computers in everywhere objects, we see touchsensitive screens in many kinds of devices, such as smartphones, tablet computers and interactive tabletops. More advanced concepts of these have been an active research topic for many years. This has also influenced automotive cockpit development: concept cars and recent market releases show integrated touchscreens, growing in size. To meet the increasing information and interaction needs, interactive surfaces offer context-dependent functionality in combination with a direct input paradigm. However, interfaces in the car need to be operable while driving. Distraction, especially visual distraction from the driving task, can lead to critical situations if the sum of attentional demand emerging from both primary and secondary task overextends the available resources. So far, a touchscreen requires a lot of visual attention since its flat surface does not provide any haptic feedback. There have been approaches to make direct touch interaction accessible while driving for simple tasks. Outside the automotive domain, for example in office environments, concepts for sophisticated handling of large displays have already been introduced. Moreover, technological advances lead to new characteristics for interactive surfaces by enabling arbitrary surface shapes. In cars, two main characteristics for upcoming interactive surfaces are largeness and shape. On the one hand, spatial extension is not only increasing through larger displays, but also by taking objects in the surrounding into account for interaction. On the other hand, the flatness inherent in current screens can be overcome by upcoming technologies, and interactive surfaces can therefore provide haptically distinguishable surfaces. This thesis describes the systematic exploration of large and shaped interactive surfaces and analyzes their potential for interaction while driving. Therefore, different prototypes for each characteristic have been developed and evaluated in test settings suitable for their maturity level. Those prototypes were used to obtain subjective user feedback and objective data, to investigate effects on driving and glance behavior as well as usability and user experience. As a contribution, this thesis provides an analysis of the development of interactive surfaces in the car. Two characteristics, largeness and shape, are identified that can improve the interaction compared to conventional touchscreens. The presented studies show that large interactive surfaces can provide new and improved ways of interaction both in driver-only and driver-passenger situations. Furthermore, studies indicate a positive effect on visual distraction when additional static haptic feedback is provided by shaped interactive surfaces. Overall, various, non-exclusively applicable, interaction concepts prove the potential of interactive surfaces for the use in automotive cockpits, which is expected to be beneficial also in further environments where visual attention needs to be focused on additional tasks.Der Einsatz von interaktiven Oberflächen weitet sich mehr und mehr auf die unterschiedlichsten Lebensbereiche aus. Damit sind sie eine mögliche Ausprägung von Mark Weisers Vision der allgegenwärtigen Computer, die aus unserer direkten Wahrnehmung verschwinden. Bei einer Vielzahl von technischen Geräten des täglichen Lebens, wie Smartphones, Tablets oder interaktiven Tischen, sind berührungsempfindliche Oberflächen bereits heute in Benutzung. Schon seit vielen Jahren arbeiten Forscher an einer Weiterentwicklung der Technik, um ihre Vorteile auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Interaktion zwischen Mensch und Automobil, nutzbar zu machen. Und das mit Erfolg: Interaktive Benutzeroberflächen werden mittlerweile serienmäßig in vielen Fahrzeugen eingesetzt. Der Einbau von immer größeren, in das Cockpit integrierten Touchscreens in Konzeptfahrzeuge zeigt, dass sich diese Entwicklung weiter in vollem Gange befindet. Interaktive Oberflächen ermöglichen das flexible Anzeigen von kontextsensitiven Inhalten und machen eine direkte Interaktion mit den Bildschirminhalten möglich. Auf diese Weise erfüllen sie die sich wandelnden Informations- und Interaktionsbedürfnisse in besonderem Maße. Beim Einsatz von Bedienschnittstellen im Fahrzeug ist die gefahrlose Benutzbarkeit während der Fahrt von besonderer Bedeutung. Insbesondere visuelle Ablenkung von der Fahraufgabe kann zu kritischen Situationen führen, wenn Primär- und Sekundäraufgaben mehr als die insgesamt verfügbare Aufmerksamkeit des Fahrers beanspruchen. Herkömmliche Touchscreens stellen dem Fahrer bisher lediglich eine flache Oberfläche bereit, die keinerlei haptische Rückmeldung bietet, weshalb deren Bedienung besonders viel visuelle Aufmerksamkeit erfordert. Verschiedene Ansätze ermöglichen dem Fahrer, direkte Touchinteraktion für einfache Aufgaben während der Fahrt zu nutzen. Außerhalb der Automobilindustrie, zum Beispiel für Büroarbeitsplätze, wurden bereits verschiedene Konzepte für eine komplexere Bedienung großer Bildschirme vorgestellt. Darüber hinaus führt der technologische Fortschritt zu neuen möglichen Ausprägungen interaktiver Oberflächen und erlaubt, diese beliebig zu formen. Für die nächste Generation von interaktiven Oberflächen im Fahrzeug wird vor allem an der Modifikation der Kategorien Größe und Form gearbeitet. Die Bedienschnittstelle wird nicht nur durch größere Bildschirme erweitert, sondern auch dadurch, dass Objekte wie Dekorleisten in die Interaktion einbezogen werden können. Andererseits heben aktuelle Technologieentwicklungen die Restriktion auf flache Oberflächen auf, so dass Touchscreens künftig ertastbare Strukturen aufweisen können. Diese Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung großer und nicht-flacher interaktiver Oberflächen und analysiert ihr Potential für die Interaktion während der Fahrt. Dazu wurden für jede Charakteristik verschiedene Prototypen entwickelt und in Testumgebungen entsprechend ihres Reifegrads evaluiert. Auf diese Weise konnten subjektives Nutzerfeedback und objektive Daten erhoben, und die Effekte auf Fahr- und Blickverhalten sowie Nutzbarkeit untersucht werden. Diese Dissertation leistet den Beitrag einer Analyse der Entwicklung von interaktiven Oberflächen im Automobilbereich. Weiterhin werden die Aspekte Größe und Form untersucht, um mit ihrer Hilfe die Interaktion im Vergleich zu herkömmlichen Touchscreens zu verbessern. Die durchgeführten Studien belegen, dass große Flächen neue und verbesserte Bedienmöglichkeiten bieten können. Außerdem zeigt sich ein positiver Effekt auf die visuelle Ablenkung, wenn zusätzliches statisches, haptisches Feedback durch nicht-flache Oberflächen bereitgestellt wird. Zusammenfassend zeigen verschiedene, untereinander kombinierbare Interaktionskonzepte das Potential interaktiver Oberflächen für den automotiven Einsatz. Zudem können die Ergebnisse auch in anderen Bereichen Anwendung finden, in denen visuelle Aufmerksamkeit für andere Aufgaben benötigt wird

Amorphous Silicon Dual Gate Thin Film Transistor & Phase Response Touch Screen Readout Scheme for Handheld Electronics Interactive AMOLED Displays

Interactive handheld electronic displays use hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin film transistor (TFT) as a backplane and a Touch Screen Panel (TSP) on top as an input device. The low mobility and instability of a-Si:H TFT threshold voltage are major two issues for driving constant current as required for Active Matrix Organic Light Emitting Ddiode (AMOLED) displays. Low mobility is compensated by increasing transistor width or resorting to more expensive material TFTs. On the other hand, the ever increasing threshold voltage shift degrades the drain current under electrical operation causing OLED display to dim. Mutual capacitive TSP, the current cell phone standard, requires two layers of metals and a dielectric to be put in front of the display, further dimming the device and adding to visual noise due to sun reflection, not to mention increased integration cost and decreased yield. This thesis focuses on the aforementioned technological hurdles of a handheld electronic display by proposing a dual-gate TFT used as an OLED current driving TFT and a novel phase response readout scheme that can be applied to a one metal track TSP. Our dual-gate TFT has shown on average 20% increase in drive current over a single gate TFT fabricated in the same batch, attributed to the aid of a top channel to the convention bottom channel TFT. Furthermore the dual gate TFT shows three times the Poole-Frenkel current than the single gate TFT attributed to the increase in gate to drain overlap. The dual-gate TFT shows a 50% improvement in threshold voltage shift over a single gate TFT at room temperature, but only ~8% improvement under 75ºC. This is an important observation as it shows an accelerated threshold voltage shift in the dual-gate. This difference in the rate of threshold voltage change under varying temperature is attributed to the difference in interface states, supporting Libsch and Kanicki’s multi-level temperature dependant dielectric trapping model. The phase response TSP readout scheme requires IC only on one side of the display. Cadence Spectre simulation results showed that both touch occurrence and touch position can be obtained using only one metal layer

Amorphous Silicon Dual Gate Thin Film Transistor & Phase Response Touch Screen Readout Scheme for Handheld Electronics Interactive AMOLED Displays

Interactive handheld electronic displays use hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin film transistor (TFT) as a backplane and a Touch Screen Panel (TSP) on top as an input device. The low mobility and instability of a-Si:H TFT threshold voltage are major two issues for driving constant current as required for Active Matrix Organic Light Emitting Ddiode (AMOLED) displays. Low mobility is compensated by increasing transistor width or resorting to more expensive material TFTs. On the other hand, the ever increasing threshold voltage shift degrades the drain current under electrical operation causing OLED display to dim. Mutual capacitive TSP, the current cell phone standard, requires two layers of metals and a dielectric to be put in front of the display, further dimming the device and adding to visual noise due to sun reflection, not to mention increased integration cost and decreased yield. This thesis focuses on the aforementioned technological hurdles of a handheld electronic display by proposing a dual-gate TFT used as an OLED current driving TFT and a novel phase response readout scheme that can be applied to a one metal track TSP. Our dual-gate TFT has shown on average 20% increase in drive current over a single gate TFT fabricated in the same batch, attributed to the aid of a top channel to the convention bottom channel TFT. Furthermore the dual gate TFT shows three times the Poole-Frenkel current than the single gate TFT attributed to the increase in gate to drain overlap. The dual-gate TFT shows a 50% improvement in threshold voltage shift over a single gate TFT at room temperature, but only ~8% improvement under 75ºC. This is an important observation as it shows an accelerated threshold voltage shift in the dual-gate. This difference in the rate of threshold voltage change under varying temperature is attributed to the difference in interface states, supporting Libsch and Kanicki’s multi-level temperature dependant dielectric trapping model. The phase response TSP readout scheme requires IC only on one side of the display. Cadence Spectre simulation results showed that both touch occurrence and touch position can be obtained using only one metal layer

Blending the Material and Digital World for Hybrid Interfaces

The development of digital technologies in the 21st century is progressing continuously and new device classes such as tablets, smartphones or smartwatches are finding their way into our everyday lives. However, this development also poses problems, as these prevailing touch and gestural interfaces often lack tangibility, take little account of haptic qualities and therefore require full attention from their users. Compared to traditional tools and analog interfaces, the human skills to experience and manipulate material in its natural environment and context remain unexploited. To combine the best of both, a key question is how it is possible to blend the material world and digital world to design and realize novel hybrid interfaces in a meaningful way. Research on Tangible User Interfaces (TUIs) investigates the coupling between physical objects and virtual data. In contrast, hybrid interfaces, which specifically aim to digitally enrich analog artifacts of everyday work, have not yet been sufficiently researched and systematically discussed. Therefore, this doctoral thesis rethinks how user interfaces can provide useful digital functionality while maintaining their physical properties and familiar patterns of use in the real world. However, the development of such hybrid interfaces raises overarching research questions about the design: Which kind of physical interfaces are worth exploring? What type of digital enhancement will improve existing interfaces? How can hybrid interfaces retain their physical properties while enabling new digital functions? What are suitable methods to explore different design? And how to support technology-enthusiast users in prototyping? For a systematic investigation, the thesis builds on a design-oriented, exploratory and iterative development process using digital fabrication methods and novel materials. As a main contribution, four specific research projects are presented that apply and discuss different visual and interactive augmentation principles along real-world applications. The applications range from digitally-enhanced paper, interactive cords over visual watch strap extensions to novel prototyping tools for smart garments. While almost all of them integrate visual feedback and haptic input, none of them are built on rigid, rectangular pixel screens or use standard input modalities, as they all aim to reveal new design approaches. The dissertation shows how valuable it can be to rethink familiar, analog applications while thoughtfully extending them digitally. Finally, this thesis’ extensive work of engineering versatile research platforms is accompanied by overarching conceptual work, user evaluations and technical experiments, as well as literature reviews.Die Durchdringung digitaler Technologien im 21. Jahrhundert schreitet stetig voran und neue Geräteklassen wie Tablets, Smartphones oder Smartwatches erobern unseren Alltag. Diese Entwicklung birgt aber auch Probleme, denn die vorherrschenden berührungsempfindlichen Oberflächen berücksichtigen kaum haptische Qualitäten und erfordern daher die volle Aufmerksamkeit ihrer Nutzer:innen. Im Vergleich zu traditionellen Werkzeugen und analogen Schnittstellen bleiben die menschlichen Fähigkeiten ungenutzt, die Umwelt mit allen Sinnen zu begreifen und wahrzunehmen. Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, stellt sich daher die Frage, wie neuartige hybride Schnittstellen sinnvoll gestaltet und realisiert werden können, um die materielle und die digitale Welt zu verschmelzen. In der Forschung zu Tangible User Interfaces (TUIs) wird die Verbindung zwischen physischen Objekten und virtuellen Daten untersucht. Noch nicht ausreichend erforscht wurden hingegen hybride Schnittstellen, die speziell darauf abzielen, physische Gegenstände des Alltags digital zu erweitern und anhand geeigneter Designparameter und Entwurfsräume systematisch zu untersuchen. In dieser Dissertation wird daher untersucht, wie Materialität und Digitalität nahtlos ineinander übergehen können. Es soll erforscht werden, wie künftige Benutzungsschnittstellen nützliche digitale Funktionen bereitstellen können, ohne ihre physischen Eigenschaften und vertrauten Nutzungsmuster in der realen Welt zu verlieren. Die Entwicklung solcher hybriden Ansätze wirft jedoch übergreifende Forschungsfragen zum Design auf: Welche Arten von physischen Schnittstellen sind es wert, betrachtet zu werden? Welche Art von digitaler Erweiterung verbessert das Bestehende? Wie können hybride Konzepte ihre physischen Eigenschaften beibehalten und gleichzeitig neue digitale Funktionen ermöglichen? Was sind geeignete Methoden, um verschiedene Designs zu erforschen? Wie kann man Technologiebegeisterte bei der Erstellung von Prototypen unterstützen? Für eine systematische Untersuchung stützt sich die Arbeit auf einen designorientierten, explorativen und iterativen Entwicklungsprozess unter Verwendung digitaler Fabrikationsmethoden und neuartiger Materialien. Im Hauptteil werden vier Forschungsprojekte vorgestellt, die verschiedene visuelle und interaktive Prinzipien entlang realer Anwendungen diskutieren. Die Szenarien reichen von digital angereichertem Papier, interaktiven Kordeln über visuelle Erweiterungen von Uhrarmbändern bis hin zu neuartigen Prototyping-Tools für intelligente Kleidungsstücke. Um neue Designansätze aufzuzeigen, integrieren nahezu alle visuelles Feedback und haptische Eingaben, um Alternativen zu Standard-Eingabemodalitäten auf starren Pixelbildschirmen zu schaffen. Die Dissertation hat gezeigt, wie wertvoll es sein kann, bekannte, analoge Anwendungen zu überdenken und sie dabei gleichzeitig mit Bedacht digital zu erweitern. Dabei umfasst die vorliegende Arbeit sowohl realisierte technische Forschungsplattformen als auch übergreifende konzeptionelle Arbeiten, Nutzerstudien und technische Experimente sowie die Analyse existierender Forschungsarbeiten

Physical sketching tools and techniques for customized sensate surfaces

Sensate surfaces are a promising avenue for enhancing human interaction with digital systems due to their inherent intuitiveness and natural user interface. Recent technological advancements have enabled sensate surfaces to surpass the constraints of conventional touchscreens by integrating them into everyday objects, creating interactive interfaces that can detect various inputs such as touch, pressure, and gestures. This allows for more natural and intuitive control of digital systems. However, prototyping interactive surfaces that are customized to users' requirements using conventional techniques remains technically challenging due to limitations in accommodating complex geometric shapes and varying sizes. Furthermore, it is crucial to consider the context in which customized surfaces are utilized, as relocating them to fabrication labs may lead to the loss of their original design context. Additionally, prototyping high-resolution sensate surfaces presents challenges due to the complex signal processing requirements involved. This thesis investigates the design and fabrication of customized sensate surfaces that meet the diverse requirements of different users and contexts. The research aims to develop novel tools and techniques that overcome the technical limitations of current methods and enable the creation of sensate surfaces that enhance human interaction with digital systems.Sensorische Oberflächen sind aufgrund ihrer inhärenten Intuitivität und natürlichen Benutzeroberfläche ein vielversprechender Ansatz, um die menschliche Interaktionmit digitalen Systemen zu verbessern. Die jüngsten technologischen Fortschritte haben es ermöglicht, dass sensorische Oberflächen die Beschränkungen herkömmlicher Touchscreens überwinden, indem sie in Alltagsgegenstände integriert werden und interaktive Schnittstellen schaffen, die diverse Eingaben wie Berührung, Druck, oder Gesten erkennen können. Dies ermöglicht eine natürlichere und intuitivere Steuerung von digitalen Systemen. Das Prototyping interaktiver Oberflächen, die mit herkömmlichen Techniken an die Bedürfnisse der Nutzer angepasst werden, bleibt jedoch eine technische Herausforderung, da komplexe geometrische Formen und variierende Größen nur begrenzt berücksichtigt werden können. Darüber hinaus ist es von entscheidender Bedeutung, den Kontext, in dem diese individuell angepassten Oberflächen verwendet werden, zu berücksichtigen, da eine Verlagerung in Fabrikations-Laboratorien zum Verlust ihres ursprünglichen Designkontextes führen kann. Zudem stellt das Prototyping hochauflösender sensorischer Oberflächen aufgrund der komplexen Anforderungen an die Signalverarbeitung eine Herausforderung dar. Diese Arbeit erforscht dasDesign und die Fabrikation individuell angepasster sensorischer Oberflächen, die den diversen Anforderungen unterschiedlicher Nutzer und Kontexte gerecht werden. Die Forschung zielt darauf ab, neuartigeWerkzeuge und Techniken zu entwickeln, die die technischen Beschränkungen derzeitigerMethoden überwinden und die Erstellung von sensorischen Oberflächen ermöglichen, die die menschliche Interaktion mit digitalen Systemen verbessern