Reglas de diseño del vidrio de cubierta PCAP para la integración de HMI

El vidrio de cubierta PCAP es lo primero que toca un operario y lo último en lo que suelen detenerse los ingenieros de diseño. Entre todas las tecnologías táctiles empleadas en entornos industriales, pocas se comparan con los sistemas táctiles capacitivos proyectados; en estos sistemas, el vidrio de cubierta PCAP no es una mera capa inerte. Determina directamente la intensidad de la señal, las prestaciones ópticas, la resistencia ambiental y si la pantalla detecta o no los dedos enguantados. Una especificación incorrecta del vidrio de cubierta PCAP puede hacer que su sensor táctil industrial presente toques fantasma, zonas muertas o una pantalla agrietada 6 meses después de la instalación. Este artículo define siete especificaciones de diseño —desde la elección del material y las concesiones en el espesor dieléctrico hasta el apantallamiento EMI— que separan una matriz de pantalla táctil PCAP fiable de una garantía completamente anulada.

Cómo funciona la tecnología táctil capacitiva proyectada

La tecnología táctil capacitiva proyectada (PCAP) supervisa la capacitancia observando sus anomalías en el punto de intersección de una cuadrícula de conductores transparentes integrada en el vidrio de cubierta. Un sensor táctil PCAP combina dos capas de conductores de óxido de indio y estaño (ITO) con dibujo —una de excitación (eje X) y otra de detección (eje Y)— separadas por un dieléctrico. Cuando un dedo u objeto conductor entra en una zona de proximidad con carga acoplada al Kiri, induce una lectura de capacitancia que el sistema controlador utiliza para localizar el punto de contacto. En la parte superior se encuentra la capa PCAP Angoshel y, debajo, el dibujo de electrodos ITO, ambos separados por un dieléctrico; a continuación se sitúa el sustrato de vidrio, hasta el LCD/TFT de la pantalla superior. Aunque cada capa adicional en la configuración de capas de una pantalla táctil capacitiva proyectada añade atenuación óptica y afecta a la recepción táctil, limitar el número de capas reduce la ineficiencia del sistema. La capacitancia mutua exige medir de forma independiente la variación de carga presente en cada intersección X/Y del dibujo de electrodos, lo que permite una detección multitáctil fiel a la realidad y sin toques fantasma. La autocapacitancia debe medir la capacitancia por separado en cada fila y columna; aunque su implementación es más sencilla, pueden aparecer coordenadas fantasma al detectar simultáneamente demasiados puntos de contacto. Los parámetros habituales de una película ITO utilizada en un sensor táctil PCAP incluyen una resistividad de 10-100 ohmios (medida por cuadrado), un espesor de 50-200 nm y una transmitancia óptica del 85 %. La mayoría de los dibujos PCAP convencionales emplean un dibujo de rombos —nueve interconexiones en una cuadrícula de 3×3, enlazadas mediante pistas— o un dibujo matricial —nueve grupos de barras paralelas conectadas por pistas—. Los dibujos de rombos generan campos eléctricos más uniformes en todo el sensor. Para consultar los principios electrostáticos en los que se basa esta tecnología, vea este resumen de la detección capacitiva. Analog Devices también publicó un análisis detallado de los sistemas capacitivos proyectados desde la perspectiva del controlador.

Selección del material del vidrio de cubierta para pantallas táctiles PCAP

La elección del material repercute en cadena sobre la resistencia a los impactos, la transmitancia óptica y la cantidad de capacitancia que alcanza el sensor táctil inferior. Las pantallas táctiles utilizan tres familias de vidrio, cada una con sus propias ventajas e inconvenientes. Se recomienda el endurecimiento químico mediante intercambio iónico para todo vidrio de cubierta con un espesor inferior a 3 mm. Durante el intercambio iónico, el vidrio se introduce en un baño químico de nitrato de potasio fundido a unos 400C. La sustitución de los pequeños iones de sodio por iones de potasio de mayor tamaño genera una capa sometida a tensión mecánica de compresión en la superficie del vidrio. Las composiciones de aluminosilicato producen una capa con una DOL superior a 40 m y una tensión mecánica de compresión superior a 700 MPa en vidrios sodocálcicos. Para aplicaciones HMI interiores convencionales, los vidrios sodocálcicos y endurecidos químicamente ofrecen las mejores prestaciones con un coste óptimo. Para aplicaciones industriales exigentes, con impactos, abrasión e incluso variaciones térmicas incorporados al entorno, el vidrio de aluminosilicato es la mejor opción. El vidrio de borosilicato resulta adecuado para aplicaciones expuestas a variaciones de temperatura rápidas y extremas, como controles de hornos y HMI exteriores en climas gélidos. Al especificar un vidrio de cubierta para HMI industriales, incluya siempre el método de endurecimiento efectivo junto con la documentación del ensayo de DOL proporcionada por su proveedor. Especifique siempre el perfilado de cantos, el taladrado de orificios y la personalización del vidrio reforzado antes del templado; el vidrio endurecido químicamente no puede cortarse ni taladrarse.

Equilibrio entre el espesor del vidrio de cubierta y la sensibilidad táctil

El espesor del vidrio de cubierta es quizá el componente físico más crítico de una pantalla táctil PCAP. Un error puede dar lugar a un conjunto HMI hecho añicos. Cada milímetro adicional de vidrio aumenta el acoplamiento de campo eléctrico necesario entre el dedo y el sensor ITO, lo que reduce directamente la relación señal/ruido en el controlador. La capacitancia mutua atraviesa de forma fiable todo el espesor del vidrio de cubierta hasta 2,0 mm. Superado este valor, resulta obligatorio ajustar la respuesta de la señal en el firmware del controlador; con espesores de 4 mm o más, muchos diseños cambian a la autocapacitancia o a modos de detección híbridos. La intensidad de la señal disminuye aproximadamente con el cuadrado de la distancia entre el dedo y el electrodo, por lo que duplicar el espesor del vidrio reduce la señal aproximadamente a una cuarta parte. Compare cómo afectan las especificaciones del vidrio de cubierta a las prestaciones táctiles de las HMI en múltiples aplicaciones de pantallas táctiles PCAP y tamaños de pantalla.

Tratamientos superficiales: recubrimientos antideslumbrantes, antirreflectantes y antihuellas

Las capas superficiales determinan si los operarios pueden leer realmente la pantalla de su HMI en condiciones reales: a pleno sol, con los largos tubos fluorescentes de la fábrica reflejados en ella o con las manos extendiendo lubricante sobre el vidrio de control. Una capa bien elegida convierte una pantalla desvaída en otra legible. Para HMI instaladas en fábricas donde los operarios llevan guantes, el recubrimiento AG con una neblina del 8-15 % es la opción de eficacia probada. Difunde las fuentes de luz superiores y apenas afecta a la resolución a una distancia de visualización normal. Para HMI médicas o de salas blancas en las que importa la nitidez a nivel de píxel, el recubrimiento AR con una reflexión <1% supera al AG porque conserva la resolución nativa de la pantalla. AG y AR son «como la noche y el día»: AG dispersa ligeramente un haz de luz incidente en múltiples direcciones, mientras que AR emplea dispositivos de interferencia óptica multicapa; es decir, capas dieléctricas finas frente a una microtextura de incidencia rasante, respectivamente. La diferencia clave reside en el objetivo: dispersar las reflexiones o eliminarlas por completo. Los recubrimientos AF funcionan mejor como capa superior aplicada sobre AG o AR. Utilizan una química oleófoba basada en fluoropolímeros para reducir la energía superficial y hacer que el agua y los aceites formen gotas en lugar de extenderse en una película fina. Seleccione una especificación con un ángulo de contacto con el agua (WCA) > 1100 durante al menos 500.000 ciclos táctiles para maximizar la durabilidad y minimizar la contaminación superficial.

Unión óptica frente a separación de aire en pantallas PCAP industriales

El método empleado para adherir el vidrio de cubierta al LCD afecta directamente a la legibilidad bajo la luz solar, al registro táctil y a la fiabilidad a largo plazo. Elija entre la unión óptica —que rellena la separación de aire con adhesivos como OCA u OCR— y el montaje con separación de aire —en el que todo el vidrio de cubierta queda suspendido sobre la pantalla mediante cinta perimetral, dentro de una cavidad de aire—. Según nuestra experiencia suministrando conjuntos de vidrio de cubierta integrados en fábrica a clientes industriales, las pantallas PCAP unidas con separación de aire en fábricas húmedas desarrollan empañamiento interno después de 12-18 meses. La humedad atraviesa las juntas de la cinta perimetral y empaña la superficie interior, lo que arruina la visibilidad y el registro táctil. Utilice en su lugar la unión óptica del vidrio de cubierta con OCA u OCR para eliminar por completo este modo de fallo; rellene la cavidad con adhesivo en vez de aire.

«La unión óptica aumenta la complejidad y el coste de fabricación, pero elimina un punto de fallo a largo plazo. La consideramos obligatoria para cualquier pantalla PCAP instalada fuera de entornos controlados —almacenes, instalaciones exteriores o plantas de procesado de alimentos—». — Equipo de ingeniería de Saiwei Glass

OCA (adhesivo de capa agresiva) funciona bien para formatos relativamente pequeños, de hasta aproximadamente 15″, pero para pantallas personalizadas de gran formato o con tamaños irregulares es mejor optar por OCR (resina de capa agresiva). Se dispensa en estado líquido y se cura in situ con luz UV para adaptar perfectamente el índice de refracción al vidrio y a la pantalla. Esto reduce de forma significativa las reflexiones internas en la interfaz. En cuanto a la unión adhesiva, la guía de UICO sobre unión de pantallas táctiles ofrece comparaciones de parámetros mecánicos y consideraciones relevantes. Interelectronix publicó una nota técnica sobre unión óptica para pantallas táctiles PCAP que incluye el flujo y los parámetros del proceso de laminación.

Ajuste del controlador para el modo guantes y el vidrio de cubierta grueso

El vidrio de cubierta resuelve los factores mecánicos, pero el firmware de su controlador táctil PCAP es lo que determina si la HMI responde en condiciones reales, con operarios enguantados, vidrio protector grueso y ruido procedente de conmutaciones eléctricas en otras zonas de la fábrica. Los cuatro parámetros más relevantes del controlador son el umbral de señal —cuánto debe cambiar la capacitancia para registrar un evento—, la ganancia —en qué medida se amplifica la señal bruta del sensor—, el filtrado de ruido —algoritmos que distinguen entre toques reales y otros efectos ambientales— y el rechazo del agua —lógica inteligente que distingue una posible lectura del agua de la producida por un dedo que acaba de tocar el vidrio—. El modo guantes simplemente eleva lo suficiente el umbral del controlador para detectar la pequeña diferencia de capacitancia que produce el contacto de un dedo enguantado sobre un vidrio de 1,1 mm. Con los dedos desnudos, el valor podría ser de 50 recuentos. Con un guante fino de nitrilo, de 20 recuentos. Los guantes gruesos de cuero utilizados en talleres de soldadura o en la industria pesada podrían generar solo 5 u 8 recuentos. Cada tipo de guante requiere un ajuste distinto del umbral, y el sensor táctil PCAP se calibra con precisión para estas sensibilidades después de la instalación. El vidrio grueso acentúa estos efectos. Las soluciones PenMount o UICO PenMount pueden detectar a través de hasta 10 mm, pero solo si la ganancia, el filtrado de ruido y el umbral se ajustan específicamente para la aplicación. Una aplicación con vidrio de 3 mm que detecta un dedo desnudo puede no funcionar correctamente con un vidrio de 6 mm y un guante de cuero, salvo que se ajuste el firmware para esa situación concreta.

• Lista de comprobación para ajustar el firmware
• ✔ Defina el espesor y el material del vidrio de cubierta antes de pedir los controladores
• ✔ Especifique todos los guantes utilizados en la aplicación (material y espesor)
• ✔ Solicite al proveedor del controlador un informe de ajuste del firmware
• ✔ Realice ensayos con gotas de agua sobre la superficie del vidrio (validación del rechazo del agua)
• ✔ Valide la inmunidad frente a toques falsos en el entorno de funcionamiento real
• ✔ Confirme la precisión multitáctil con la configuración especificada de vidrio y marco

Analog Devices ofrece una descripción detallada de los sistemas táctiles capacitivos proyectados, la arquitectura PCAP y la capa de protocolos de comunicación del sistema operativo.

Apantallamiento EMI y puesta a tierra en conjuntos de vidrio de cubierta PCAP

Los sensores táctiles PCAP son extremadamente susceptibles al acoplamiento EMI. Los filamentos de la cuadrícula de electrodos ITO actúan como una antena, y las fábricas generan ruido de banda ancha en todas las frecuencias y desde todas las direcciones: los variadores de frecuencia (VFD), los servomotores, las fuentes de alimentación conmutadas y las barras colectoras de alta corriente generan EMI de banda ancha que se acopla al sensor táctil. El resultado es bien conocido: toques fantasma que activan instrucciones erróneas, respuestas retardadas que llevan a los operarios a golpear repetidamente la pantalla y un trastorno total de la HMI durante el arranque del motor. Un panel de pantalla táctil —subpaneles NEMA 4X o vidrio de pantalla reforzado— situado a menos de 30 cm de un VFD de 10 HP y sin medidas de mitigación EMI empezará a comportarse de forma errática pocos segundos después de que el motor comience a funcionar a VMF. La norma de inmunidad industrial IEC 61000-6-2 comprende un conjunto completo de ensayos ED correspondientes a un entorno industrial. Todos los sistemas de pantalla táctil PCAP destinados a instalaciones de fabricación deberían someterse a ensayos similares. La norma de inmunidad industrial IEC 61000-6-2 especifica los niveles de interferencias conducidas y radiadas que puede soportar un equipo sin sufrir fallos de funcionamiento.

• Buenas prácticas de puesta a tierra
• ✔ Conecte la capa de apantallamiento ITO a la masa del chasis mediante la junta conductora
• ✔ Mantenga la longitud del recorrido de tierra por debajo de 20 mm: los recorridos más cortos tienen menos inductancia
• ✔ Utilice diodos TVS en cada conector de E/S de la placa del controlador expuesto a un campo de alta radiosidad
• ✔ Apantalle el tendido del cable FPC/FFC y manténgalo alejado de los conductores de alta corriente
• ✔ Aísle físicamente la fuente de alimentación del controlador táctil de los circuitos de accionamiento del motor.

Un anillo perimetral conductor de ITO alrededor del área táctil activa, conectado a la masa del chasis por el recorrido más corto posible mediante una junta conductora, es la medida más eficaz contra los errores táctiles inducidos por EMI. Este anillo actúa como una pantalla de Faraday que intercepta el ruido radiado antes de que alcance los electrodos de detección.

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