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Visão geral da tecnologia

Uma introdução aos vários tipos comuns de tecnologia de tela sensível ao toque e o método de sua operação. Pontos fortes e fracos de cada tecnologia também serão discutidos para fornecer uma melhor compreensão sobre qual tipo seria melhor usar em qualquer aplicação.

Todas as tecnologias de tela sensível ao toque fornecem a mesma função, mas são consideravelmente variadas nos diferentes tipos e seu método de operação. Todos eles têm benefícios específicos, bem como deficiências e escolher o tipo certo para uma aplicação específica pode ser difícil, a menos que você esteja completamente familiarizado com os diferentes tipos de tecnologias e suas considerações operacionais. Este artigo destina-se a fornecer uma visão geral dos tipos comuns de tecnologias de tela sensível ao toque, bem como seus benefícios e fraquezas. Desculpas pela falta de gráficos, mas essas submissões têm restrições de tamanho.

Este é o tipo mais comum de tela sensível ao toque em uso hoje em grande parte porque tem boas características operacionais e é barato. O toque resistivo está disponível em variações de 4, 5 e 8 fios. O termo "fio" é usado para indicar quantos elementos do circuito são terminados no cabo para conexão com a eletrônica de interface. 4 e 8 fios resistivos são semelhantes em operação com o fio 8 realmente apenas uma variação de 4 fios. Todas as tecnologias resistivas têm construções semelhantes. Ou seja, são interruptores analógicos. Eles são construídos de um substrato transparente - geralmente vidro com um revestimento condutor sobre o qual é afixada uma camada de interruptor transparente flexível - geralmente uma película de poliéster com um revestimento condutor semelhante. Esta camada de interruptor afixada no perímetro é fisicamente mantida longe do substrato com "pontos espaçadores" muito pequenos. Se você segurar um sensor de toque resistivo até a luz, você geralmente pode vê-los. Para ativar o sensor, você aplica pressão na camada do interruptor com um dedo ou estilete para forçar o poliéster flexível entre os pontos do espaçador a entrar em contato com o substrato. Na tecnologia de 4 fios, a posição do toque é obtida por meio da medição de queda de tensão. A camada de substrato e a camada de interruptor têm um revestimento transparente e condutor sputtered que geralmente é o óxido de estanho de índio (ITO), que é preferido porque é bastante transparente, oferecendo baixas resistências de folha tipicamente de 15 - 1000 ohm/quadrado. A maioria das telas sensíveis ao toque resistivas usam revestimentos ITO em torno de 300 ohms/quadrado, pois é uma boa troca entre durabilidade e transparência óptica. Aplicadas em cima de cada uma dessas duas camadas estão barramentos condutores, barras na borda geralmente peneiradas com tinta prateada condutora. Uma camada tem essas barras posicionadas verticalmente à esquerda e à direita para o elemento X-Plane e a outra as tem posicionadas superior e inferior para o elemento Y-Plane. Assim, 4 barras conectadas por 4 fios. A interface do controlador aplicará uma corrente através das barras de um desses planos - digamos o X-Plane entrando pela barra esquerda e saindo pela direita. Com esta corrente fluindo através da resistência de 300 ohm/quadrado da folha do revestimento ITO no substrato X-Plane, haverá uma queda de tensão entre as 2 barras. Quando a pressão é aplicada para encurtar as camadas X e Y juntas, uma tensão é captada pelo plano Y e medida pela interface do controlador. Quanto mais perto você chegar de uma barra ou outra no X-Plane, maior ou menor será a tensão, determinando assim uma coordenada X. Para obter uma coordenada Y, a mesma operação é feita por sua vez, mas desta vez alimentando o Plano Y com o Plano X captando a medição de tensão. 4 As tecnologias de fio podem operar com potência muito baixa, uma vez que são operadas por tensão e não requerem muita corrente, por isso são desejáveis para uso em dispositivos portáteis operados por bateria. Eles também têm o benefício de poder usar a maior parte da superfície do sensor como a área ativa onde os toques podem ser sentidos. As barras de barramento prateadas podem ser muito estreitas para não ocupar muito espaço nas bordas. Além disso, os traços de conexão da tinta prateada podem ser colocados em camadas por cima separados por dielétrico UV, tornando a construção muito compacta. Esta também é uma consideração importante em aplicações como dispositivos portáteis onde o tamanho é muito limitado. Como 4 fios são operados por tensão, não pode haver variação nas propriedades elétricas das camadas condutoras ou a leitura de tensão dessas camadas X e Y mudará causando uma deriva posicional no ponto de contato. Vários fatores podem causar isso, sendo o mais comum o aquecimento e resfriamento do sensor a partir de condições ambientais. Isso só se torna um problema perceptível com variações extremas de temperatura e em tamanhos de grandes formatos, como sensores de 12,1" e maiores. Ele realmente não é perceptível em formatos pequenos, como 6,4" e menores. O verdadeiro problema com 4 fios é a vida útil do sensor. Não é tão bom assim. Normalmente, você pode esperar 4 milhões de toques ou menos no mesmo local com a operação do dedo. Com uma caneta, é muito pior. Um sensor de 4 fios pode ser destruído por apenas alguns golpes duros de uma caneta de ponta fina. Isso ocorre porque o ITO da camada de interruptor de poliéster é quebradiço. ITO é uma cerâmica e é rachado ou "fraturado" facilmente quando é dobrado demais. Essa fissuração geralmente acontece na camada do interruptor de poliéster, pois ela é repetidamente flexionada na camada de substrato entre os pontos do espaçador para fazer contato elétrico. Com a flexão repetida, especialmente em um ponto altamente utilizado, como um botão de entrada em uma aplicação, o ITO irá fraturar nessa área e não conduzirá a corrente também, fazendo com que a resistência da folha desse ponto aumente. Esse dano acontece muito mais rápido se uma caneta for usada, pois a flexão da camada do interruptor pelo pequeno ponto da caneta é muito mais nítida. Se isso acontecer, a medição de tensão do plano X e Y sobre ou ao redor desse ponto será maior do que deveria, fazendo com que o ponto de contato pareça estar mais longe de uma barra de barramento do que realmente está. Essa perda de precisão não é linear e não pode ser restaurada com recalibração, pois você pode causar um problema de deriva. Novas técnicas, como o filme de poliéster ITO baseado em caneta, aplicam ITO em uma superfície irregular revestida sobre o poliéster primeiro para evitar um revestimento plano liso de ITO que pode ser rachado mais facilmente. Isso melhora o problema, mas não o corrige. Uma variação do fio 4 é o fio 8 que afirma "é baseado na tecnologia resistiva de 4 fios, com cada borda fornecendo mais uma linha de detecção como um gradiente de tensão estável para o controlador de tela sensível ao toque. A funcionalidade de 4 linhas adicionais é obter a tensão real gerada pela tensão de acionamento, para que o controlador de tela sensível ao toque possa corrigir automaticamente o problema de deriva resultante da exposição ao ambiente hostil ou uso prolongado". Devo admitir que estou um pouco inseguro sobre como essa teoria da operação funciona. Nunca me foi explicado de uma forma que fizesse qualquer sentido, mas tenho a certeza de que funciona. O tipo de 5 fios é na minha mente a verdadeira solução para o problema da fratura do ITO. Ele não depende de tensão para obter sua posição X e Y, mas sim do fluxo de corrente. Um fio 5 é construído das mesmas camadas de interruptor do fio 4, mas em vez de pares opostos de barras de barramento X e Y, um fio 5 utiliza eletrodos que são colocados nos quatro cantos da camada de substrato representando 4 dos 5 fios. A camada superior do interruptor de poliéster ITO é um único plano de terra que representa o 5º fio - portanto, 5 fios. A interface do controlador aplica uma baixa tensão aos 4 eletrodos de canto. Nada acontece até que a camada do interruptor aterrado seja pressionada no substrato, então a corrente começa a fluir dos 4 cantos. Se você tocasse diretamente no meio do sensor, obteria fluxo de corrente idêntico de cada canto, pois o ponto de toque está a mesma distância de cada canto e, portanto, a resistência em todo o revestimento ITO do canto ao ponto de toque seria a mesma. Quanto mais perto você chega de um canto, maior o fluxo de corrente se torna à medida que a distância e a resistência do ponto de toque ao canto diminuem. A distância e a resistência dos outros três cantos aumentam fazendo com que o fluxo de corrente diminua à medida que o ponto de contato se afasta. Dependendo da corrente que flui de cada canto, a interface do controlador pode determinar onde está o ponto de toque. O fio 5 não é afetado tanto pela fratura ITO porque não precisa manter os valores reais do fluxo de corrente para permanecer linear. Por exemplo, se nosso ponto de contato estiver diretamente no meio da tela, podemos ver fluxos de corrente de digamos 50 mA através de cada eletrodo de canto. Isso é um total de 200 mA, com cada canto representando 25% do total. Se o fluxo de corrente for igual em todos os quatro cantos do que o ponto de toque deve estar no meio. E se o ITO fraturar no meio da tela e perder 90% de sua capacidade de conduzir corrente. Bem, então apenas 20 mA de corrente estarão fluindo através dos quatro cantos com 5 mA através de cada canto, o que ainda é uma representação de 25% do fluxo total de corrente através de cada canto para que a linearidade permaneça a mesma. O fio 5 olha para os valores de fluxo de corrente de canto como relacionais entre si e não valores literais como as leituras de tensão em um fio 4 para que o ITO possa fraturar, mas não fará nenhuma diferença para a linearidade em um fio 5. O ITO teria que fraturar até um ponto em que a interface do controlador não pudesse detectar um fluxo de corrente quando a camada do switch estivesse pressionada. Um resistivo típico de 5 fios pode alcançar 35 milhões de toques no mesmo ponto com a ativação dos dedos. Mais uma vez, menos com uma caneta. A D Metro no Canadá oferece uma tecnologia resistiva blindada que substitui a camada de interruptor de poliéster por uma camada de interruptor laminado de vidro / poliéster que é mais rígida do que o poliéster. Além da óbvia durabilidade da superfície, a camada de vidro / poli interruptor mais rígida não pode dobrar bruscamente o suficiente para causar fratura ITO da camada de interruptor, permitindo que este tipo dure 10 vezes mais do que os tipos regulares de 5 fios. Por causa das duas camadas de ITO exigidas na tecnologia resistiva, a transparência não é tão boa quanto em outros tipos de telas sensíveis ao toque. A transmissão óptica é normalmente em torno de 82% para resistiva. O resistivo pode não ser adequado para alguns ambientes hostis, pois a camada do interruptor de poliéster pode ser danificada por objetos pontiagudos. Além disso, a camada do interruptor de poliéster não é à prova de umidade, mas resistente à umidade, o que significa que, em alta umidade com aquecimento e resfriamento repetidos, a umidade pode se mover através da camada do interruptor de poliéster e condensar dentro do espaço de ar entre as camadas do interruptor e do substrato, causando uma falha. Alguns sensores resistivos de grande formato têm um problema com "travesseiro". É quando a camada de poliéster se expande em relação ao substrato de vidro e se deforma ou incha e não fica plana sobre o substrato de vidro. Isso muitas vezes é apenas um defeito cosmético, mas pode causar falsa ativação se a camada do interruptor estiver deformada o suficiente. Este problema é tipicamente devido ao aquecimento e resfriamento, onde o poliéster tem um maior coeficiente de expansão e contração em comparação com o substrato de vidro e se expandirá em tamanho mais do que o vidro quando aquecido. Além da transmissão de luz mais baixa, a tecnologia resistiva blindada da A D Metro resolve todas as deficiências acima. A tecnologia resistiva é ativada por pressão, o que significa que pode ser usada com um dedo, luva pesada, caneta ou qualquer outro implemento, o que é uma característica altamente desejável. Requer muito pouca energia e é altamente confiável e rápido. É capaz de eixo Z, o que significa que ele pode detectar quando você aplica várias quantidades de pressão em um ponto de toque, o que é útil se você tiver uma aplicação onde você gostaria de acelerar uma operação apenas aplicando mais pressão a um botão de toque, como abrir uma válvula rapidamente ou lentamente em uma aplicação de controle de processo, por exemplo. Não é afetado por sujeira e tem características operacionais elétricas furtivas, o que o torna um favorito com aplicações militares.

A construção de um capacitivo é um pouco semelhante a um resistivo de 5 fios, mas não tem camada de interruptor. Há apenas um substrato revestido condutor com 4 eletrodos de canto semelhantes aos 5 fios. O revestimento condutor usado não é tipicamente ITO, mas sim Óxido de Estanho de Antimônio (ATO), que tem uma maior resistência da folha de cerca de 2.000 ohms/quadrado, que é mais adequado para a tecnologia capacitiva. O revestimento ATO geralmente tem um revestimento de silicato de cerca de 50 angstroms de espessura para protegê-lo de esfregar durante o uso. A eletrônica do controlador aplica uma frequência de RF aos quatro eletrodos de canto. A ativação é obtida tocando o dedo na superfície da tela com o acoplamento da superfície do dedo com a superfície ATO embaixo, criando um acoplamento capacitivo com o qual a frequência de rádio pode fluir. Seu corpo dissipa o RF na atmosfera como uma antena. Quanto mais perto você chegar de um canto, mais frequência de rádio fluirá através dele. Ao observar a atividade do rádio de cada canto, o controlador pode calcular onde seu dedo está tocando. Devido à interferência eletromagnética (EMI) e interferência de radiofrequência (RFI) de outros dispositivos de rádio e elétricos na área, muito processamento de sinal tem que ser feito para filtrar o ruído de RF circundante, tornando a interface do controlador mais complexa, exigindo mais consumo de energia. Apesar disso, o capacitivo ainda é relativamente rápido. Tem um toque muito leve e é ideal para aplicações de arrastar e soltar. Como a superfície é de vidro, ela é resistente a vandalismo e é amplamente usada em aplicações de quiosques, incluindo máquinas de jogos. Tem uma boa transmissão óptica de cerca de 90%. Ele não é afetado por sujeira ou contaminação, a menos que seja ruim o suficiente para interferir com o acoplamento capacitivo do seu dedo. Ele não pode ser usado com luvas pesadas ou qualquer estilete ou implemento apontador, a menos que amarrado e conectado eletricamente ao controlador. Se o seu dedo estiver muito seco, ele pode não funcionar, pois a umidade da pele é necessária para um bom acoplamento capacitivo. Se a superfície estiver riscada, isso pode fazer com que o sensor falhe na área riscada ou falhe completamente se o arranhão for longo o suficiente. EMI e RFI podem fazer com que ele saia da calibração. Não é capaz do eixo Z. Ele não é adequado para operação móvel, pois o ambiente ao redor do EMI e RFI muda com muita frequência, o que confundiria a interface do controlador. Não é adequado para aplicações militares que exigem operação furtiva porque emite RF. Requer considerações específicas de montagem, pois carcaças e molduras metálicas podem interferir em seu funcionamento. Capacitivo projetado: O capacitivo projetado, incluindo Near Field Imaging (NFI), é construído a partir de um substrato de vidro com um revestimento ITO ou ATO que é gravado para deixar um padrão de grade consistindo de elementos de linha X e Y. Alguns projetos usam filamentos metálicos embutidos que não são visivelmente perceptíveis para obter a mesma grade. O substrato com padrão de grade tem uma placa de vidro protetora colada à face do substrato de grade. Um campo CA aplicado à grade. Quando um dedo ou caneta condutora toca a superfície do sensor, ele perturba o campo, permitindo que a interface do controlador identifique onde na grade o campo é mais perturbado. A interface do controlador pode então calcular a posição do toque. Esta tecnologia é altamente durável e não pode ser danificada a ponto de não funcionar, a menos que a grade do substrato seja quebrada. Ele pode sentir toques através de uma janela. Pode operar fora de portas. Não é afetado pela sujeira. Pode ser usado com mãos enluvadas. É, no entanto, caro. Tem uma resolução comparativamente baixa. Pode ser zapeado facilmente por descarga eletrostática. Ele não tem nenhum sentido tátil real, o que significa que pode ser ativado antes de você tocá-lo. É sensível à interferência de EMI e RFI, tornando sua confiabilidade problemática.

Esta tecnologia não requer processamento de sinal elétrico na superfície do sensor e não usa revestimentos condutores. Ele utiliza som ultra-sônico para sentir toques. Um sensor SAW é composto por um substrato sensor que afixou em seu perímetro um emissor piezoelétrico juntamente com 2 ou 3 receptores. Também correndo ao longo de todo o perímetro das bordas do sensor estão sulcos de reflexão usados para rebater o som ultrassônico para frente e para trás em toda a superfície da face do sensor. Para detectar toques, o transdutor piezoelétrico envia rajadas de som ultrassônico que são refletidas pelas cristas do perímetro para frente e para trás em toda a face do sensor. Como a velocidade do som é um pouco constante, sabe-se quando a explosão originária do som, juntamente com todas as rajadas refletidas das cristas do perímetro, deve chegar a cada receptor. Se um dedo ou outra caneta absorvente de som entrar em contato com a face do sensor, parte desse som originado ou refletido será absorvido e estará ausente quando o controlador espera ouvi-los chegar aos receptores. Esses incidentes ausentes são o que permitem que a interface do controlador determine onde o toque teria que ser posicionado na face do sensor, a fim de impedir que esses incidentes sonoros cheguem aos receptores quando esperado. Esta tecnologia oferece 97% de transmissão de luz, uma vez que o substrato do sensor é apenas vidro nu. Ele também oferece um toque muito leve e funciona bem para funções de arrastar e soltar. Tem uma superfície de vidro que é altamente durável e não é facilmente vandalizada. Ele funcionará com mãos fortemente enluvadas, mas não com uma caneta rígida ou qualquer implemento que não possa absorver o som. Se você coçar profundamente o suficiente, porém, as ondas ultra-sônicas podem cair no vale da gota e saltar para o espaço, causando um ponto morto em um lado do arranhão. É suscetível a sujeira e poeira que retardam ou bloqueiam o som ultra-sônico. As gotículas de água interferem no seu funcionamento - assim como os insetos atraídos pela luz do visor. Ele não pode ser efetivamente selado de sujeira ou umidade, pois tal vedação bloquearia o som ultra-sônico. A junta de espuma de célula aberta não pode selar da umidade e ainda acabará entupindo com sujeira, causando um bloqueio do som ultrassônico. Mudanças na umidade e temperatura causarão uma mudança na densidade do ar afetando a velocidade em que o som ultra-sônico pode viajar, o que pode causar problemas com a precisão. Matriz Infravermelha: Esta é uma das primeiras tecnologias de toque já desenvolvidas. É muito simples na operação e vem retornando como uma solução viável para o toque, pois é mais adequado para telas planas. IR Matrix é composto de um quadro no qual é montada uma linha de 30 a 40 emissores de fotos IR ao longo de um lado e superior ou inferior combinados com receptores de fotos IR alinhados ao longo do lado oposto e superior ou inferior. A interface do controlador estroba os emissores IR tanto no plano X quanto no plano Y para fornecer uma grade de feixes de luz que podem ser quebrados por um dedo ou qualquer implemento de toque. Quando um toque é feito por um dedo ou implemento de toque, um ou mais feixes de luz na matriz serão quebrados e a interface do controlador pode dizer onde o toque está posicionado para bloquear esses feixes específicos. Além disso, o bloqueio parcial de feixes de luz para um lado ou outro do toque permite que a interface do controlador se resolva para uma resolução bastante alta, mas o diâmetro da caneta deve ser grande o suficiente para bloquear pelo menos um feixe de luz emissor de fotos, bem como parte de um adjacente, a fim de que a interface do controlador veja uma mudança de posição. A tecnologia caiu em desuso à medida que outros tipos de tecnologia entraram em operação porque os monitores anos atrás eram CRTs esféricos com curvaturas de raio de 22,5" ou menos. Houve um problema considerável de paralaxe ao tentar usar a matriz IR com feixes de luz retos e planos em um monitor CRT curvo. A tela de toque da matriz IR seria ativada bem antes de seu dedo alcançar a superfície do CRT, especialmente nos cantos, tornando-o complicado de usar. Isso, é claro, não é mais um problema com a universalidade das telas planas hoje e é por isso que a matriz IR está voltando um pouco. Ele oferece um toque muito leve e é adequado para aplicações de arrastar e soltar. Se uma versão de quadro é usada sem substrato de vidro protetor, então a transmissão óptica é 100%, o que é desejável em qualquer aplicação. Tem boa resolução e é muito rápido. Não é afetado por mudanças rápidas de temperatura ou umidade. É muito linear e preciso. A tecnologia não tem sentido tátil, no entanto, e será ativada antes que seu dedo entre em contato com a superfície da tela. Ele precisa de muito espaço para residir tanto na espessura quanto na largura do quadro, então o design especial da caixa do display pode ser necessário para acomodar o quadro. Ele tem muitos elementos de componente que representam um risco maior de falha de componente. É afetada pela sujeira que pode bloquear os feixes de luz. Insetos voadores atraídos pela luz do visor podem ativar o sensor.

Substratos de vidro reforçados também devem ser abordados aqui, pois é um fator crítico em muitas aplicações e não muito bem compreendido por muitos. Existem dois tipos de vidro reforçado comumente em uso. O primeiro e mais comum é o vidro temperado térmico, geralmente referido como vidro de segurança. Este vidro é feito introduzindo um vidro como o vidro de cal sodada regular em um forno, onde é aquecido até quase derreter, em seguida, extraído do forno e rapidamente jateado a ar para resfriar a superfície externa, enquanto o núcleo interno permanece quente. Isso encolhe a superfície externa do vidro em tensão para o núcleo interno, tornando-o muito forte, muito parecido com a pressurização de um balão. Quando a superfície externa é rachada, a tensão é liberada e o vidro explode em pequenos pedaços inofensivos, daí o termo vidro de segurança. Este tipo de vidro não é adequado para displays porque o processo de têmpera deforma um pouco o vidro, comprometendo suas propriedades ópticas. O vidro quimicamente reforçado é muito mais adequado para fins de exibição porque o processo não distorce o vidro. O vidro de cal sodada regular é imerso em um banho de nitrato de potássio a cerca de 500 graus centígrados por 8 a 16 horas. Uma troca de moléculas de sal por moléculas de potássio ocorre na superfície do vidro. Quanto mais longo o banho, mais profunda a troca. A superfície resultante de troca molecular resulta em uma tensão superficial de 20.000 a 50.000 PSI ou até 6 vezes a resistência do vidro de cal sodada recozido regular. Ao contrário do vidro temperado a quente, você pode cortar vidro quimicamente reforçado, mas perderá as propriedades de reforço de cerca de 1-1,5 polegadas da borda, tornando-o inútil para sensores de pequeno formato. Se você quiser um substrato sensor de vidro reforçado em formato pequeno, o vidro deve primeiro ser cortado ao tamanho e, em seguida, quimicamente reforçado para tratar as bordas também. Também não há limitação de espessura com reforço químico, ao contrário do temperado a calor. Com a têmpera térmica, se você ficar abaixo de 3 mm de espessura, torna-se difícil resfriar a superfície externa rapidamente o suficiente sem o resfriamento do núcleo junto com ele, de modo que a tensão superficial adequada geralmente se torna inatingível abaixo de 3 mm de espessura. Você pode usar vidro temperado a calor ou quimicamente reforçado para substratos em sensores resistivos de 4 ou 8 fios, pois esses sensores são processados com tintas de prata e dielétricos que não requerem aquecimento na fabricação da camada de substrato. Você não pode usar vidro temperado a calor ou quimicamente reforçado para 5 fios ou tecnologias capacitivas porque o processamento da padronagem de prata e traços de maneiras são feitos de metal de prata que fornece uma baixa resistência interna necessária para o funcionamento adequado de 5 fios e capacitivos. A prata deve ser derretida no vidro ITO em um processo de queima. Essa queima liberaria a tensão superficial no vidro temperado com calor e a reduziria consideravelmente no vidro quimicamente reforçado. Se você quiser um substrato reforçado adequado em um 5 fios ou capacitivo, você deve laminar uma placa de vidro traseiro temperada a calor ou quimicamente reforçada para o substrato do sensor para fornecer um suporte reforçado para o sensor de 5 fios. Embora não tenhamos sido capazes de discutir todas as tecnologias de tela sensível ao toque e seus pontos fortes e fracos, espera-se que informações suficientes tenham sido fornecidas sobre os tipos mais comumente disponíveis para permitir que você especifique o melhor para suas necessidades.