Multi-touch Touchscreen (Pantallas táctiles)

Las pantallas multitáctiles están haciendo furor en la mayoría de las aplicaciones de consumo masivo actuales. Los teléfonos móviles y ordenadores se encuentran al tope de la lista de dispositivos que utilizan esta tecnología que no deja de avanzar. El futuro será sin pulsadores mecánicos y la interfaz hombre-máquina ya no será texto o número. Sólo habrá simbología específica y frases hechas. Y allí estarán los sensores táctiles, confiables y durables. No se puede pretender más. Entérate cómo es la tecnología de transferencia de carga, la resolución de los sensores, la selectividad, el problema del ruido y la mayoría de los inconvenientes que deben sortearse para obtener un funcionamiento óptimo en la interfaz del futuro que ya está aquí.

Las grandes pantallas táctiles basadas en sensores capacitivos están ganando el mercado de los teléfonos móviles donde interactúan en forma directa con las aplicaciones que ofrecen en imagen y con el usuario. Capaces de detectar una suave pulsación hasta la acción de arrastrar un dedo por su superficie, estos sensores se transformaron en el corazón de la mayoría de estos dispositivos. Ellos “sienten y son sensibles” al medio ambiente y al comportamiento del usuario, permitiendo que el producto que se está utilizando responda de manera intuitiva y a la vez segura. Sin embargo, las películas del sensor en sí no son inteligentes. No son capaces de diferenciar entre lo que es un dato útil, un error o discriminar entre las distintas opciones que el menú ofrece en pantalla.

Lo que en la realidad física realizan es proyectar un campo eléctrico a través de un material dieléctrico y recibir “el eco” devuelto por nuestros dedos, gracias a un chip inteligente de detección capacitiva. Este tipo de sensores son conocidos como tecnología de capacidad proyectada y están siendo utilizados en la mayoría de los modernos diseños de soluciones de pantallas táctiles o touchscreen. Por supuesto que no estamos diciendo que no sean complejos en su construcción. Por el contrario, un sensor de pantalla táctil capacitiva consta de una gran variedad de materiales tales como óxido de estaño e indio (Indium Tin Oxide, ITO), conductores en una o más capas de vidrio y plásticos como el tereftalato de polietileno (Polyethylene Terephthalate, PET), entre otros elementos.

La buena claridad óptica y la baja resistividad de los materiales empleados en las diferentes capas (ITO) hacen posible la realización de una pantalla táctil de alta performance. Cuando estas capas están conectadas al chip que las opera y se encuentran en un ambiente donde existe una aceptable relación señal/ruido (SNR), es posible detectar cambios mínimos de capacidad con absoluta precisión. La presencia de un dedo, por ejemplo, provoca una alteración de capacidad en la zona de un picoFaradio (1pF). Sin embargo, lograr hacer realidad un entorno donde exista una SNR aceptable es muy complicado ya que siempre se estará trabajando en un hábitat donde existirán capacidades parásitas de varios nanoFaradios (nF) que cambian constantemente según la manipulación y el funcionamiento del dispositivo.

La tecnología de transferencia de carga permite operar en ámbitos adversos con excelente SNR y es capaz de detectar la aproximación mínima de un dedo a la pantalla. A tal punto esto es así que permite la detección del toque con sólo apoyar la uña sobre la superficie. Esta técnica basa su funcionamiento en un sencillo grupo de finos electrodos sensores para cada canal capacitivo. Uno de ellos es encargado de transmitir un tren de impulsos lógicos en forma de ráfaga (burst). El electrodo receptor, por su parte, se acopla al transmisor a través del panel dieléctrico que los separa. Cuando un dedo toca el panel, el acoplamiento del campo eléctrico entre emisor y receptor se favorece y el tacto se detecta.

La mayoría de los sistemas de adquisición de señales de carga dejan las líneas “en caliente” (sensibles al tacto) durante el proceso de conversión de la señal, por lo que pequeñas corrientes parásitas dentro del sensor pueden ser incluidas como parte del cálculo de la posición de toque, introduciendo de este modo inexactitudes en la medición de la posición real. La posición del cableado y el largo de los conductores desde la pantalla sensible hasta el chip de proceso de la información se convierte en un problema serio cuando la distancia supera apenas unos pocos centímetros.

La técnica de transferencia de carga mantiene en forma constante a todas las líneas receptoras a un potencial cero restringiendo sólo la adquisición de datos a los puntos donde se detecta el toque. De esta forma, resuelve el problema de errores en la medición. La técnica utilizada es la activación secuencial de las pequeñas rayas resistivas que forman toda la zona útil del sensor. De esta manera, se realiza un barrido constante y se puede detectar en forma segura un toque. Al momento de apoyar el dedo sobre la pantalla, se produce la adquisición de cargas de esa zona específica mientras el sistema anula todas las demás filas y columnas (X e Y) vecinas al sector detectado, aislando la zona por completo. Es decir, a los bordes del punto tocado, los electrodos estarán deshabilitados para prevenir errores de medición y proporcionar una alta relación señal/ruido.

Capacidad Mutua Vs. Capacidad Propia
Estos son los dos enfoques principales que podrían determinar la posición de los dedos en una pantalla táctil de capacidad proyectada. Por un lado, la capacidad propia funciona bien para sistemas de un solo toque. Pero con sistemas de “toque múltiple” no hay manera de resolver la ambigüedad de posición reflejada en los resultados de más de un contacto simultáneo en diferentes partes de la pantalla.
Por ejemplo, si el usuario toca en una grilla capacitiva determinados lugares (X1, Y1) y (X2, Y2), la información entregada simplemente le dirá al chip que las líneas X1, X2, Y1 e Y2 han sido tocadas sin tener un verdadero conocimiento de la combinación real entre los puntos activados. Podría ser que el chip interprete los grupos (X1, Y2) y (X2, Y1) como los sitios alcanzados por el tacto. Este problema se conoce como el “efecto fantasma”.

En cambio, la medición de capacidad mutua utiliza una matriz ortogonal de electrodos transmisores y receptores dispuestos en una organización de múltiples nodos de contacto más pequeños creados por la geometría de la estructura de los electrodos. En un sistema basado en capacidad mutua, cada toque es único y detectado como un par de coordenadas X-Y, mientras que en un sistema de capacidad propia, la detección del toque entrega coordenadas X e Y independientes. Además, si dos toques están presentes en un sistema de capacidad mutua, esto sería detectado como (X1, Y1) y (X2, Y2), mientras que en un sistema de capacidad propia este evento sería detectado como (X1, X2, Y1, Y2), dejando dos posibles combinaciones de coordenadas. El efecto fantasma en la capacidad propia es exponencial y se vuelve imposible de resolver a medida que vamos avanzando hacia tres o más toques. Debido a que el acoplamiento capacitivo formado dentro de un arreglo puede ser medido en forma independiente, podemos decir que no existirá confusión en las coordenadas reportadas por múltiples toques. Por este motivo es técnicamente posible el reconocimiento de ilimitados toques en la pantalla.

Los sistemas de adquisición de datos a través de los sistemas de transferencia de carga, junto con la implementación de la técnica de capacidad mutua, ofrecen una relación señal/ruido superior y una mejor tolerancia a las capacidades parásitas, permitiendo que las señales débiles, como la capacidad inducida a través de una uña, la moneda o el stylus, puedan ser procesadas y correctamente interpretadas.

Resolución del sensor
Cuando hablamos de resolución nos referimos a la capacidad que tendrá la pantalla de detectar el elemento más pequeño posible. Esto estará directamente relacionado con el diseño de las tramas de electrodos ITO colocados sobre la superficie. Un patrón de alta resolución estará formado por una gran cantidad de líneas verticales (transmisoras) separadas por un dieléctrico a una segunda capa que contiene una matriz horizontal de líneas (receptoras). A mayor cantidad posible de líneas involucradas, mayor resolución. En cada punto de cruce entre líneas horizontales y verticales se formará un punto de capacidad detectable por el procesador del sistema. A pesar de que el proceso de fabricación se vuelve más complejo, siempre será más provechoso sumar la mayor cantidad que se pueda de líneas en la pantalla para mejorar la resolución y la relación señal/ruido.

La distancia que puede considerarse mínima de separación entre líneas de electrodos es de aproximadamente 5 milímetros o algo menos. Esto significa que una pantalla de 4,3 pulgadas, en una proporción de aspecto de 16:9, idealmente debiera tener aproximadamente 19 filas por 11 columnas, es decir, un total mínimo de 209 intersecciones individuales de capacidad mutua. Por supuesto que incrementando la densidad de electrodos podemos lograr una mejor calidad de interpretación de los datos capturados que permitiría seguir una continuidad de movimiento en el toque realizando así dibujos o firmas que puedan ser reconocidas de manera eficaz por el sensor táctil.

Con una tasa de refresco suficientemente alta (200 Hz.), la tecnología puede incluso permitir una firma a velocidad completa y el reconocimiento de una escritura con un lápiz de tan solo 2 milímetros de diámetro. Al incrementar demasiado la resolución, se choca de manera inevitable con un nuevo inconveniente: la selectividad de los datos que son introducidos por toque, sean estos voluntarios o no. El reto consiste en recopilar los datos, descartar los inútiles y utilizar los datos útiles de una manera selectiva y precisa. La introducción de la selectividad y precisión consiste en organizar y medir el cambio en la capacidad de una manera significativa, al tiempo que se obtiene una adquisición de datos suficientes y la aplicación de algoritmos adecuados para permitir una diferenciación cualitativa.

La necesidad de un sistema de detección de toques múltiples.
Dos simples toques (realizados por los dedos del usuario) permiten en una pantalla que un objeto pueda ser activado, estirado, achicado y girado. Entonces, uno puede preguntarse acerca de la real necesidad y utilidad de procesar 5 o 10 toques simultáneos cuando apenas caben tres dedos en la pantalla de un teléfono móvil. La realidad, sin embargo, nos indica la necesidad de hacer sistemas táctiles más selectivos de las informaciones deseadas por sobre las accidentales o fortuitas. De esta forma, los trazos o toques útiles serán procesados correctamente mientras que el procesador desechará las acciones identificadas como no válidas.

Una pantalla capacitiva táctil por sí sola no tiene noción de lo que está tocando, de quién o qué la está tocando y por qué. No puede distinguir entre un dedo, la oreja, la cara, el codo o una mariposa. Por lo tanto, es muy posible emitir comandos accidentales con sólo asir el teléfono por los bordes o al apoyarlo contra el oído o la cara para poder comunicarse.

De este modo, se buscan procesadores capaces de determinar en forma correcta e inequívoca los falsos toques que pueden producirse en forma accidental. Un avance hacia la detección de formas geométricas o dimensionales puede ser el camino para detectar que los sensores pueden deshabilitarse parcialmente en la zona de la cara o la oreja al hablar por teléfono. Para que esto sea posible, la densidad de líneas que formen la mayor cantidad de capacidades mutuas como sea posible es un factor primordial.

El problema del ruido
Como dijimos antes, los circuitos que procesan la información capturada a partir de cambios muy pequeños en la capacidad de un punto de cruce entre una línea y una columna están obligados a tener un alto rechazo al ruido externo e interno que acechan al sistema para poder operar de manera correcta. A esto se le llama, como también se dijo antes, relación señal/ruido (SNR).

El ruido proviene de todas las direcciones imaginables y se presenta sobre el dispositivo (en primera instancia) desde el propio display del equipo que muestra la imagen sobre la cual vamos a trabajar. A menudo, los LCD provocan transitorios de tensión de varios voltios con tiempos de subida y caída mesurables en microsegundos. Gracias a las técnicas de conversión de las capacidades medidas en valores digitales y a los algoritmos de supresión de ruidos, es posible rechazar la mayor parte del ruido que acecha a nuestro equipo.

Otro fenómeno que se presenta es al utilizar una fuente de alimentación conectada a la red domiciliaria al momento de operar una pantalla táctil. Los ruidos presentes en la red y una tensión flotante y permanente inducida desde la fuente se enfrentarán a nuestros dedos que descargarán esa tensión alterna deformada de 50 o 60 Hz. dando lugar a tremendas colisiones eléctricas que pueden parecernos inexistentes. Porque debemos tener siempre en cuenta que algo inperceptible por nuestros sentidos, no lo es para el sensor que basa su funcionamiento en la variación de pequeñas capacidades equivalentes a pocos picoFaradios.

Conclusión
La evolución hacia pantallas integradas con matrices más densas de sensores transmisores y receptores que utilicen el método de transferencia de carga es el futuro inmediato en el mundo de las pantallas multi-táctiles. La sofisticación y evolución necesaria en el diseño de procesadores capaces de individualizar, categorizar y seleccionar entre instrucciones válidas o no, es la segunda meta a alcanzar en la evolución hacia el dominio total de los sensores capacitivos táctiles por sobre cualquier otro tipo de interfaz entre la máquina y el usuario. Tal vez hoy no podamos imaginar los alcances de uso que pueda tener esta tecnología. El tiempo dará la respuesta y tú estarás allí para comprobarlo.