¡No presiones demasiado, John! ¿Cómo solucionar los problemas de sensibilidad de la pantalla táctil?

No presione demasiado – introducción al problema

Imaginemos que su nuevo producto, una cafetera, tiene una pantalla táctil. El dispositivo no funciona correctamente, porque la pantalla no responde al tacto. Para que funcione, prueba a ajustar el regulador, aumentando la sensibilidad y cambiando el umbral. Pero al hacerlo acabas teniendo otros problemas, como el efecto de toque fantasma. Finalmente, su solución es presionar la pantalla muy fuerte. Y pones un cartel en la máquina de café, diciendo:

PARA HACER CAFÉ – PRESIONE FUERTE 🙁

Puede que aún te preguntes cómo hacer que funcione bien. Sí, hay una manera.

En este artículo, le mostraremos cuál fue la raíz del problema y cómo podría haberlo evitado. He aquí las dos principales conclusiones, pero siga leyendo para aclararlas:

CONSEJO nº 1: Para realizar ajustes precisos en un controlador de pantalla táctil es necesario hacerlo durante una fase temprana de I+D. Evite cambios en el diseño (como añadir un cristal de cubierta adicional basándose sólo en la hoja de datos) sin haberlos probado a fondo antes de la producción.

RECOMENDACIÓN #2: Cuando elija un controlador de pantalla táctil para aplicaciones exigentes, prefiera siempre la calidad industrial a la de consumo. Los de calidad industrial tendrán un mejor rendimiento y le permitirán un mayor control sobre parámetros como la SNR.

¿Qué ocurrió en el proceso de diseño del dispositivo?

Para saber cuál es el origen exacto del mal funcionamiento descrito, tenemos que recurrir a la teoría que hay detrás de las soluciones prácticas. Antes de continuar, repasemos lo que ocurrió exactamente, paso a paso:

• Pidió la pantalla para probarla y el prototipo funcionó bien.
• Entonces, durante el proceso de fabricación se añadió la capa extra de cristal de cubierta, que según las hojas de datos debería funcionar bien, y algo salió mal.
• Para resolver el problema, decide aumentar la sensibilidad del controlador de la pantalla táctil.
• Por desgracia, no sirve de nada: el dispositivo empieza a reaccionar de forma caótica y acabas teniendo un efecto táctil fantasma.
• Entonces vuelves a bajar la ganancia de pantalla táctil y decides apretar más fuerte el dedo, cada vez que quieres hacer un café.

Parece razonable, ¿a qué se debe? Averigüémoslo ampliando cada paso.

Centrarse en la I+D, el diseño y la producción

En primer lugar, ¿cuál es la pantalla que ha pedido? En el ejemplo anterior, la pantalla está equipada con un controlador de pantalla táctil de consumo. Esto es muy importante para varios parámetros, como la relación señal/ruido (SNR), que se explicará más adelante.

En segundo lugar, añadir cristal adicional parece ser el problema. Pero, ¿por qué, si el controlador de la pantalla táctil debería manejar esta cantidad de cristal? La pregunta es: ¿cómo has añadido el cristal? ¿Cuál era el método de unión? ¿Fue una unión por aire o una unión óptica? En este caso, la capa adicional de vidrio de cobertura se pegó al aire. Esto significa que hay una fina capa de aire entre los dos vidrios unidos. Como veremos más adelante, es el segundo factor más importante que influye en el buen funcionamiento de la pantalla táctil de esta cafetera.

En tercer lugar, ¿de dónde procede el efecto de toque fantasma? Esto se debe a que el controlador está ajustado a una alta sensibilidad (ganancia) e interpreta el ruido como eventos táctiles. Esto se aclarará más adelante, cuando expliquemos el proceso de ajuste.

Por último, ¿qué ocurre realmente cuando se presiona con más fuerza el dedo sobre la pantalla táctil capacitiva? ¿Por qué no es la solución para aumentar la señal táctil? También hablaremos de eso.

Pero ahora vamos a retroceder y empezar de nuevo con los fundamentos de la pantalla táctil y un poco de teoría detrás de ella. Esto nos permitirá clavar y entender los errores de diseño cometidos en el ejemplo en el que nos centramos en este artículo.

Los fundamentos de cómo está construida y su funcionamiento

Para resolver el problema de la pantalla táctil no funciona correctamente, es necesario comprender los fundamentos de cómo se construye la pantalla táctil. Así aprenderás lo que ocurre cuando pones un dedo encima del vaso.

Los dos rectángulos del dibujo son los electrodos, que son óxido de indio y estaño (ITO) sobre el cristal. Puedes visualizar esos electrodos como dos líneas eléctricas sobre el cristal (las líneas son transparentes, pero están ahí), que están conectadas al controlador de la pantalla táctil. El controlador de la pantalla táctil mide la capacitancia mutua entre estos dos electrodos.

Encima de los electrodos hay un cristal, que en realidad está formado por dos cristales: uno suele ser el del sensor y el otro el de la cubierta. Para simplificar, en el dibujo sólo se ve un vaso, el que se toca.

¿Qué ocurre cuando la aletager toca el cristal?

El dedo añade una capacitancia adicional a la capacitancia mutua de estos dos electrodos. En el dibujo, las capacitancias C1 y C2 se suman a la capacitancia total medida por el controlador. Cuando toques con el dedo ahí, la capacitancia mutua en esta zona aumentará. Esto es lo que estás midiendo con tu mando y por eso sabes exactamente dónde está tocando el dedo la pantalla.

¿Cómo influye el tacto influye en la capacitancia?

La fórmula siguiente muestra en teoría lo que ocurre dentro del controlador de la pantalla táctil.

Para calcular la capacitancia se necesita un ε ( épsilon) cero, que es la permitividad del vacío, multiplicado luego por ε (épsilon) r, que es la permitividad del vidrio. En este caso, es el cristal de cubierta. A continuación, multiplícalo por A (área ) de los electrodos dividido por d (distancia).

La distancia entre los electrodos y el dedo será la d. Normalmente, la distancia en la pantalla táctil oscila entre un milímetro y tres milímetros, dependiendo del proyecto en el que trabajes y del grosor del cristal de cubierta que utilices. Los demás parámetros de la fórmula permanecerán constantes. Cuando tengas el grosor del cristal ordenado en el proyecto, entonces la d (distancia) también permanecerá constante.

¿Cómo funciona esta fórmula en la pantalla táctil?

¿Cuál sería la variable en ese caso? La zona táctil. Cuando presionas con el dedo el cristal, estás añadiendo una capacitancia extra al valor global que mide el controlador (a la capacitancia interna constante y en reposo). En una situación típica, cuando se enciende la pantalla táctil, el dispositivo mide todas las capacitancias entre los electrodos y crea algo parecido a un punto de referencia (o el estado inicial de reposo de la pantalla táctil). Lo que se mide como evento táctil es sólo la capacitancia extra.

Digamos que el dispositivo mide unos pocos picofaradios de capacitancia en reposo, porque es un valor típico para la capacitancia de los electrodos. Se trata de una constante utilizada como referencia. Cuando no hay contacto, ningún dedo en la pantalla, la capacitancia extra es igual a cero, porque el área de contacto es cero. Sólo existe la capacitancia interna.

Una vez que toques la pantalla, el área táctil dejará de ser cero. Cuando empujas el dedo, añades algo de capacitancia extra. A veces, cuando tienes problemas con el rendimiento de la pantalla táctil, empiezas a presionar más.

¿Ayudará apretar fuerte?

A veces, cuando tienes problemas con el rendimiento de la pantalla táctil, empiezas a presionar más. ¿Qué ocurre realmente cuando se presiona el dedo con más fuerza? En este caso, la pantalla táctil capacitiva no mide la fuerza mecánica, sino el área en la que se ha producido el toque. Cuando tocas la pantalla suavemente, el área de tu dedo es bastante pequeña. Al presionar con más fuerza, aumenta el área al apretar el dedo sobre la superficie, con lo que aumenta la señal global.

Pero es una solución poco práctica y poco recomendable. Hay mejores formas de aumentar la señal táctil.

¿Qué ocurrirá cuando se adhiera al aire una capa adicional de vidrio?

Veamos qué ocurre cuando se añaden capas adicionales, como el aire y la cubierta de cristal, encima de la pantalla táctil. Supongamos que ha añadido 3 mm más de vidrio mediante el método de unión por aire. En medio hay un pequeño espacio de aire que separa dos vasos, como sólo 0,2 mm, pero marca bastante la diferencia.

A continuación, en la parte inferior todavía está el cristal de la cubierta de la pantalla táctil de la de 1 mm. Con una capa adicional cambia la distancia total entre el dedo y los electrodos.

¿Cómo cambia la pantalla táctil con una capa extra de cristal?

¿Cómo influyen la capa adicional y la distancia en el ejemplo dado en el campo eléctrico entre el dedo y los electrodos? En primer lugar, debes saber que el aire es bastante malo para el campo eléctrico. Para que veas lo malo que es, vamos a calcularlo con la misma fórmula de la capacitancia.

Un vaso es bastante sencillo de calcular. Es sólo un milímetro de cristal. El otro vaso también es bastante sencillo. El cristal añadido es de tres milímetros, por lo que la distancia total ya es cuatro veces mayor que antes. Pero también hay aire fino entre esas capas de vidrio, lo que significa que hay que calcular el equivalente del espacio de aire de 0,2 mm en la distancia del vidrio.

¿Cómo calcular el cambio de capacitancia debido a cambios de distancia?

La distancia influirá en la capacitancia medida por el controlador de la pantalla táctil.

Recapitulación rápida: La capacitancia es igual a la permitividad del vacío multiplicada por la permitividad relativa y luego multiplicada por el área de la capacitancia y la distancia entre los electrodos.

Las tres capas tienen diferente permitividad relativa. Para calcular la distancia a la que el aire influye realmente en el campo eléctrico, se puede convertir a “unidades de vidrio”. Significa que presentará la distancia aérea como una distancia de cristal. Porque entonces sabrás cómo poner a punto correctamente tu controlador de pantalla táctil. Para ello tendrá que comprender las diferencias de permitividad en el vidrio y el aire.

Explicación de la permitividadd

Es hora de aclarar la permitividad en las pantallas táctiles. La permitividad del vidrio está entre seis y siete, para hacer los cálculos. Típicamente, se puede suponer siete, y la permitividad del aire es la misma que la del vacío. Es la permitividad relativa, que es sólo una. En ese caso, el aire no aumenta el campo eléctrico.

El vidrio es siete veces mejor que el aire para mover el campo eléctrico. Esto significa que el aire debe ser unas siete veces más fino que el vidrio para ser equivalente en esta materia. En otras palabras, el vidrio puede ser siete veces más grueso que el aire para tener las mismas distancias equivalentes en términos de permitividad. Al incluir ε (épsilon) r en la fórmula de la distancia, se puede calcular la distancia real: la distancia entre los electrodos y el dedo que toca la pantalla

La d (distancia) es una distancia igual a 1 mm. Además en el otro lado también hay cristal y es de 3 mm. Más el espacio de aire que hay en medio – 0,2 mm.

A continuación, multiplique el espacio de aire por siete, porque el vidrio es siete veces mejor para mover el campo eléctrico que el aire, y en total es la distancia equivalente real del vidrio. Será 1 más 3 igual a cuatro y 0,2 multiplicado por 7 es 1,4 mm.

En total son 5,4 mm. Ahora sabemos cómo cambió la distancia. De 1 milímetro de pantalla táctil original añadiendo cristal se pasó a los 5,4 milímetros, que es bastante grueso.

Recapitulación rápida: Cuando se añade vidrio adicional utilizando el método de unión por aire, es necesario considerar el entrehierro como una capa adicional entre el evento táctil y el sensor de la pantalla táctil. Afectará a la señal recibida de la forma descrita en la fórmula anterior. En resumen: el entrehierro se calcula en más “vidrio”, más de lo que realmente mide en mm.

El cambio de distancia es más de cinco veces y el control táctil ahora tiene este problema para reconocer el toque del dedo, porque la señal – la capacitancia, que se está añadiendo a la capacitancia interna – es muy pequeña.

¿Cómo se puede cambiar la señal sintonizando el controlador de pantalla táctil?

En el ejemplo de la máquina de café descrito al principio, el técnico tomó medidas para recuperar el control de la pantalla táctil. Recapitulando: intentó sintonizar la señal aumentando su ganancia, pero el resultado fue un efecto de toque fantasma. Luego volvió a bajar la sensibilidad y la afinó de forma que el aparato pudiera hacer café, pero sólo cuando se pulsaba la pantalla con mucha fuerza.

Ahora puedes aprender en este ejemplo cómo se hace la señal en la pantalla táctil y cómo puedes tenerla regulada.

Hómo funciona el táctil de la pantalla táctil?

Veamos más de cerca cómo funciona la señal dentro del controlador. Para realizar una sintonización eficaz es necesario saber qué ocurre con la señal que se va a ajustar. El controlador mide la capacitancia mutua entre electrodos. Y cuando presionas con el dedo, la capacitancia cambia y se procesa en la señal. La señal representa la capacitancia en la pantalla táctil y entre los electrodos.

A efectos explicativos, la señal sólo tiene una dimensión en el gráfico.

Empecemos por el ruido: ¿cómo afecta a la señal?

La línea que vemos aquí es un ejemplo de señal de reposo, medida por el control táctil cuando no hay ningún dedo tocando la pantalla. Mide los ruidos procedentes del fondo o los ruidos procedentes del circuito interno. Es así, porque la pantalla táctil capacitiva es en cierto modo como una antena sensible y recibe muchas señales ambientales diferentes. Esos ruidos siempre estarán ahí y al cambiar la ganancia de la señal también cambiará el nivel general de ruido.

¿Cómo cambia la señal cambia al tocar la pantalla?

Supongamos que alguien toca la pantalla. ¿Qué ocurre entonces? Habrá una señal que esté claramente por encima del nivel de ruido. En la pantalla táctil, hay muchos parámetros dependiendo del controlador, pero los más básicos son la ganancia y el umbral de graves. La ganancia representa cómo las señales medidas son amplificadas internamente por el controlador. El umbral, normalmente denominado TH (umbral de señal), es el nivel mínimo de la señal que debe reconocerse como un toque en la pantalla.

Si se aumenta la distancia entre los electrodos y la pantalla (por ejemplo, añadiendo cristal adicional), la señal global disminuirá. Cuando los ruidos (junto con las señales estándar) están muy por debajo del nivel de umbral, no recibirás la señal táctil real. El evento de toque sólo tiene lugar cuando se supera el umbral.

Will aumentando el touch de la pantalla?

Con el nivel de señal por debajo del umbral, la pantalla táctil no funcionará. Lo que hay que hacer es aumentar la ganancia, aumentar la señal o disminuir el umbral. ¿Qué pasará si aumentas la ganancia? Tras aumentar la ganancia (o sensibilidad), la señal táctil superará el nivel umbral. Ahora puedes sentir el tacto y esto es lo que querías.

¿O no? Algo sigue fallando. ¿Qué ocurre al aumentar el nivel de ganancia de la señal?

Recapitulación rápida: Desafortunadamente, como hemos mencionado antes, has utilizado un controlador táctil de consumo. En consecuencia, si aumentas demasiado la sensibilidad de la señal, también aumentarás el nivel general de ruido, ¡cerca del nivel umbral!

El desafortunado caso del efecto táctil fantasma

Cuando los ruidos están muy cerca del umbral, u ocasionalmente por encima del nivel de umbral, podrían ser tratados por el controlador como la señal adecuada, no como ruido. Entonces se dará la situación denominada toque fantasma o toque fantasma. Y definitivamente no quieres eso. Nadie quiere que el café se haga solo (o con fantasmas). Y en algunas aplicaciones industriales o médicas podría ser incluso peligroso.

Equilibrio sensibilidad y ganancia

Lo que hay que hacer es equilibrar esta sensibilidad (o ganancia) para mantener la señal táctil por encima del umbral, pero al mismo tiempo mantener los ruidos siempre por debajo del nivel umbral.

Recapitulación rápida: Ha utilizado el cristal grueso y necesita que el nivel de señal sea alto para alcanzar la línea de umbral requerida. Y usted tiene controlador de grado de consumidor, que es un controlador débil, no será capaz de eliminar los ruidos y empujarlos hacia abajo.

En este punto, lo que quieres conseguir es equilibrar la sensibilidad y la ganancia. En los controladores de consumo eso es casi imposible. Este tipo de dispositivo no estará equipado con ajustes que permitan un equilibrio adecuado entre ganancia y sensibilidad.

Por eso acaba presionando con fuerza. ¿Por qué? Presionar fuerte es aumentar el área del dedo en la pantalla táctil. Hará que la señal de la capacitancia total sea un poco más alta. Al pulsar con fuerza, la señal puede pasar a estar por encima del nivel de umbral y se hará el café.

Presionar fuerte no es la situación ideal, por supuesto. Es probable que los ruidos o el ruido de fondo estén demasiado cerca del umbral. Y a veces puede ocurrir que tengas ocasionalmente un toque fantasma, pero al mismo tiempo, tu pantalla táctil no es lo suficientemente sensible. Y realmente quieres ser delicado con tu pantalla táctil.

No hay que forzar siempre al máximo: no es el objetivo del ajuste del panel táctil derecho. ¿Y ahora qué? Analicemos la relación señal/ruido (SNR).

¿Qué es el SNR? El arte de taminar la señal a ruido relación señal/ruido

La diferencia entre los ruidos de fondo que el control es capaz de manejar y la señal que se genera se denomina SNR (signal to noise ratio). El controlador industrial es mejor porque tiene mayor SNR. Normalmente, la SNR se mide en decibelios. Un valor de dB más alto indica un mejor controlador. Por desgracia, no todos los fabricantes informan sobre la SNR en sus fichas técnicas.

En general, el controlador industrial tendrá una SNR más alta que el controlador de consumo.

Ventajas de las pantallas táctiles industriales

Su objetivo general al sintonizar la unidad de control del panel táctil es mantener el ruido bajo para tener una señal muy clara. Es necesario procesar la señal y tener capacidad para eliminar el ruido de la señal. Se hace tanto en la parte analógica del controlador como en la digital. En términos de procesamiento de señales, hay muchos algoritmos en los controladores avanzados que pueden ayudarte con la eliminación del ruido. En Riverdi utilizamos controladores táctiles equipados con algoritmos capaces de eliminar los ruidos de fondo y dejar sólo la señal táctil nítida.

RECAPITULACIÓN #1: Para realizar ajustes precisos en un controlador de pantalla táctil es necesario hacerlo durante una fase temprana de I+D. Evite cambios en el diseño (como añadir un cristal de cubierta adicional basándose sólo en la hoja de datos) sin haberlos probado a fondo antes de la producción.

RECAPITULACIÓN #2: Cuando elija un controlador de pantalla táctil para aplicaciones exigentes, prefiera siempre la calidad industrial a la de consumo. Los de calidad industrial tendrán un mejor rendimiento y le permitirán un mayor control sobre parámetros como la SNR.

Ésos eran los principios generales del funcionamiento del control de señales de la pantalla táctil. ¿Por qué no se puede lograr con el controlador simple? Porque no es capaz de mantener la distancia señal/ruido lo suficientemente amplia. Al aumentar el grosor del cristal, la señal disminuye. Puedes aumentar la sensibilidad y la ganancia. Pero al mismo tiempo los ruidos están subiendo y están demasiado cerca de esta zona peligrosa cuando usted podría tener el fantasma o fantasmas toques.

Si quiere saber más sobre cómo ajustar y elegir los parámetros adecuados para la pantalla táctil, póngase en contacto con nosotros.

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