Regras de design do vidro de cobertura PCAP para integração em HMI industriais

O vidro de cobertura PCAP é o primeiro elemento em que um operador toca — e o último em que a maioria dos engenheiros de design se demora. Entre todas as tecnologias táteis utilizadas em ambientes industriais, poucas se comparam aos sistemas táteis capacitivos projetados; e, nestes sistemas, o vidro de cobertura PCAP não é apenas uma camada inerte. É diretamente responsável pela intensidade do sinal, pelo desempenho ótico, pela resistência ambiental e pela deteção, ou não, de dedos com luvas no ecrã. Uma especificação incorreta do vidro de cobertura PCAP faz com que o sensor tátil industrial apresente toques fantasma, zonas inativas ou um ecrã rachado 6 meses após a instalação. Este artigo define sete especificações de design — desde a escolha do material e os compromissos relativos à espessura dielétrica até à blindagem EMI — que distinguem uma matriz fiável de ecrã tátil PCAP de uma garantia totalmente anulada.

Como funciona a tecnologia tátil capacitiva projetada

A tecnologia tátil capacitiva projetada (PCAP) monitoriza a capacitância através da observação de anomalias de capacitância no ponto de interseção de uma grelha de condutores transparentes incorporada no vidro de cobertura. Um sensor tátil PCAP combina duas camadas de condutores padronizados de óxido de índio-estanho (ITO) — uma de excitação (eixo X) e outra de deteção (eixo Y) — separadas por um dielétrico. Quando um dedo ou objeto condutor entra numa carga de proximidade acoplada ao Kiri, induz uma leitura de capacitância, que o sistema do controlador utiliza para localizar o ponto de toque. No topo encontra-se a camada PCAP Angoshel e, por baixo, o padrão de elétrodos ITO, separados por um dielétrico — abaixo fica o substrato de vidro, até ao LCD/TFT do ecrã acima. Embora cada camada adicional na estrutura multicamada de um ecrã tátil capacitivo projetado acrescente atenuação ótica e afete a receção do toque, um número limitado de camadas minimiza a ineficiência do sistema. A capacitância mútua exige que a variação de carga presente em cada interseção X/Y do padrão de elétrodos seja medida de forma independente, permitindo uma deteção fiel de múltiplos toques sem toques fantasma. A autocapacitância tem de medir separadamente a capacitância em cada linha e coluna; embora seja mais simples de implementar, podem surgir coordenadas fantasma durante a deteção simultânea de um número excessivo de pontos de toque. Os parâmetros típicos de uma película ITO utilizada num sensor tátil PCAP incluem uma resistividade de 10-100 ohms (medida por quadrado), uma espessura de 50-200 nm e uma transmitância ótica de 85%. A maioria dos padrões PCAP convencionais utiliza um padrão em losango — nove interligações numa grelha 3×3, ligadas entre si por pistas — ou um padrão matricial — nove grupos de barras paralelas ligados por pistas. Os padrões em losango proporcionam campos elétricos mais uniformes em toda a área do sensor. Para uma análise dos princípios eletrostáticos desta tecnologia, consulte esta visão geral da deteção capacitiva. A Analog Devices também publicou uma análise detalhada dos sistemas capacitivos projetados do ponto de vista do controlador.

Seleção do material do vidro de cobertura para ecrãs táteis PCAP

A escolha do material tem efeitos em cadeia, desde a resistência ao impacto e a transmitância ótica até à quantidade de capacitância que chega ao sensor tátil inferior. Os ecrãs táteis utilizam três famílias de vidro, cada uma com as suas vantagens e desvantagens. O reforço químico por troca iónica é recomendado para todos os vidros de cobertura com espessura inferior a 3 mm. Durante a troca iónica, o vidro é colocado num banho químico de nitrato de potássio fundido a cerca de 400 °C. A substituição de pequenos iões de sódio por iões de potássio maiores induz uma camada de tensão de compressão na superfície do vidro. As composições de aluminossilicato produzem uma camada de DOL superior a 40 m e uma tensão de compressão acima de 700 MPa em vidros sodo-cálcicos. Para aplicações HMI interiores convencionais, os vidros sodo-cálcicos e reforçados quimicamente proporcionam o melhor desempenho a um custo ideal. Resistência industrial; resistência integrada ao impacto, à abrasão e até às variações térmicas; o vidro de aluminossilicato é a melhor opção. Vidro de borossilicato; aplicações sujeitas a variações rápidas e extremas de temperatura — comandos de fornos e HMI exteriores em climas gelados. Ao especificar vidro de cobertura para HMI industriais, inclua sempre o método de reforço efetivo e a documentação dos ensaios de DOL fornecida pelo seu fornecedor. Especifique sempre o perfil das arestas, a perfuração e a personalização do vidro reforçado antes da têmpera; o vidro temperado quimicamente não pode ser cortado nem perfurado.

Compromissos entre a espessura do vidro de cobertura e a sensibilidade ao toque

A espessura do vidro de cobertura é talvez o componente físico mais crítico de um ecrã tátil PCAP. Um erro resulta num conjunto HMI estilhaçado. Cada milímetro adicional de vidro aumenta o acoplamento de campo elétrico necessário entre o dedo e o sensor ITO, reduzindo diretamente a relação sinal/ruído no controlador. A capacitância mútua atravessa de forma fiável toda a espessura de vidros de cobertura com até 2,0 mm. Acima desse valor, torna-se obrigatório ajustar a resposta do sinal no firmware do controlador — e, com 4 mm ou mais, muitos designs passam para a autocapacitância ou para modos de deteção híbridos. A intensidade do sinal diminui aproximadamente com o quadrado da distância entre o dedo e o elétrodo, pelo que duplicar a espessura do vidro reduz o sinal para cerca de um quarto. Compare a forma como as especificações do vidro de cobertura afetam o desempenho tátil das HMI em inúmeras aplicações de ecrãs táteis PCAP e dimensões de ecrã.

Tratamentos de superfície — revestimentos antiencandeamento, antirreflexo e antidedadas

Os revestimentos de superfície determinam se os operadores conseguem realmente ler o ecrã da HMI em condições reais — sob toda a intensidade da luz solar direta, com longos tubos fluorescentes refletidos a partir do chão da fábrica ou com as mãos a espalhar lubrificante pelo vidro de comando. Um revestimento bem selecionado transforma um ecrã desbotado num ecrã legível. Para HMI instaladas em fábricas, onde os operadores usam luvas, o revestimento AG com névoa de 8-15% é a escolha comprovada. Este revestimento difunde as fontes de luz superiores, com um impacto insignificante na resolução à distância normal de visualização. Para HMI de salas limpas ou aplicações médicas, nas quais a nitidez ao nível dos píxeis é importante, o revestimento AR com reflexão <1% supera o AG por preservar a resolução nativa do ecrã. AG e AR são «como o dia e a noite», pois o AG dispersa ligeiramente um feixe de luz incidente em várias direções, enquanto o AR utiliza dispositivos de interferência ótica multicamada — respetivamente, camadas dielétricas finas e uma microtextura de incidência rasante. A diferença principal reside no objetivo: dispersar as reflexões ou eliminá-las por completo. Os revestimentos AF são mais eficazes quando aplicados como camada superior sobre AG ou AR. Utilizam uma composição química oleofóbica à base de fluoropolímeros para reduzir a energia superficial e fazer com que a água e os óleos formem gotas em vez de se espalharem numa camada fina. Selecione uma especificação com um ângulo de contacto com a água (WCA) > 1100 durante, pelo menos, 500 000 ciclos de toque, para maximizar a durabilidade e minimizar a contaminação da superfície.

Colagem ótica ou folga de ar em ecrãs PCAP industriais

O método de fixação do vidro de cobertura ao LCD afeta diretamente a legibilidade sob luz solar, o registo do toque e a fiabilidade a longo prazo. Escolha entre uma abordagem de colagem ótica (preenchendo a folga de ar com adesivos como OCA ou OCR) e um método de montagem com folga de ar (todo o vidro de cobertura fica suspenso sobre o ecrã por fita adesiva perimetral, numa cavidade de ar). Com base na nossa experiência no fornecimento de conjuntos de vidro de cobertura integrados em fábrica a clientes industriais, os ecrãs PCAP com folga de ar em ambientes fabris húmidos desenvolvem embaciamento interno após 12-18 meses. A humidade atravessa as uniões da fita perimetral e embacia a superfície interior, comprometendo a visibilidade e o registo do toque. Em alternativa, cole o vidro de cobertura com OCA ou OCR para eliminar totalmente este modo de falha; preencha a cavidade com adesivo em vez de ar.

«A colagem ótica aumenta a complexidade e o custo de fabrico, mas elimina um ponto de falha a longo prazo. Consideramo-la obrigatória para qualquer ecrã PCAP instalado fora de ambientes controlados — armazéns, instalações exteriores e transformação alimentar.» — Saiwei Glass Engineering Team

O OCA (adesivo revestido agressivo) funciona bem em formatos relativamente pequenos, até cerca de 15″, mas, para personalização de ecrãs de grande formato ou com dimensões irregulares, é preferível optar pelo OCR (resina revestida agressiva). É dispensado na forma líquida e curado no local com luz UV, para obter uma correspondência perfeita do índice de refração com o vidro e o ecrã. Isto reduz significativamente as reflexões internas na interface. Quanto à colagem, o guia de colagem de ecrãs táteis da UICO apresenta comparações e considerações relativas aos parâmetros mecânicos. A Interelectronix publicou uma nota técnica sobre colagem ótica para ecrãs táteis PCAP, com o fluxo e os parâmetros do processo de laminação.

Ajuste do controlador para o modo de luvas e vidro de cobertura espesso

O vidro de cobertura responde aos fatores mecânicos, mas é o firmware do controlador tátil PCAP que determina se a HMI responde em condições reais — com operadores a usar luvas, vidro de proteção espesso e ruído proveniente de comutações elétricas noutras zonas da fábrica. Os quatro parâmetros mais relevantes do controlador são o limiar do sinal (a variação de capacitância necessária para criar um evento registado), o ganho (amplificação do sinal bruto do sensor por um valor especificado), a filtragem de ruído (algoritmos que distinguem toques reais de outros efeitos ambientais) e a rejeição de água (lógica inteligente que distingue uma possível transcrição de água de um dedo que apenas toca no vidro). O modo de luvas limita-se a elevar o limiar do controlador o suficiente para detetar a pequena variação de capacitância provocada pelo contacto de um dedo com luva através de vidro de 1,1 mm. Com os dedos nus, o valor pode ser de 50 contagens. Com uma luva fina de nitrilo, 20 contagens. As luvas grossas de couro utilizadas em oficinas de soldadura ou na indústria pesada podem produzir apenas 5 ou 8 contagens. Diferentes tipos de luvas exigem diferentes ajustes do limiar, e o sensor tátil PCAP é afinado para estas sensibilidades após a instalação. O vidro espesso amplifica estes efeitos. As soluções PenMount ou UICO PenMount conseguem efetuar a deteção através de até 10 mm, mas apenas se o ganho, a filtragem de ruído e o limiar forem ajustados especificamente para a aplicação. Uma aplicação com vidro de 3 mm que detete um dedo nu pode não funcionar corretamente com vidro de 6 mm e uma luva de couro, a menos que sejam efetuados ajustes de firmware para essa situação exata.

• Lista de verificação do ajuste do firmware
• ✔ Definir a espessura e o material do vidro de cobertura antes de encomendar os controladores
• ✔ Especificar todas as luvas utilizadas na aplicação (material, espessura)
• ✔ Solicitar ao fornecedor do controlador um relatório de ajuste do firmware
• ✔ Realizar ensaios com gotas de água na superfície do vidro (validação da rejeição de água)
• ✔ Validar a imunidade a falsos toques no ambiente de funcionamento real
• ✔ Confirmar a precisão multitoque com a configuração especificada do vidro e do aro

A Analog Devices apresenta uma visão geral detalhada dos sistemas táteis capacitivos projetados, da arquitetura PCAP e da camada de protocolo de comunicação com o sistema operativo.

Blindagem EMI e ligação à terra em conjuntos de vidro de cobertura PCAP

Os sensores táteis PCAP são extremamente suscetíveis ao acoplamento EMI. Os filamentos da grelha de elétrodos ITO funcionam como uma antena, e as fábricas geram ruído de banda larga em todas as frequências e direções — variadores de frequência (VFDs), servomotores, fontes de alimentação comutadas e barramentos de alta corrente geram EMI de banda larga que se acopla ao sensor tátil. O resultado é bem conhecido: toques fantasma que acionam instruções incorretas, ações retardadas que levam os operadores a pressionar repetidamente o ecrã e uma perturbação total da HMI durante o arranque do motor. Um painel de ecrã tátil (subpainéis NEMA 4X, vidro de ecrã reforçado) instalado a menos de 30 cm de um VFD de 10 HP, sem medidas de mitigação EMI, começará a funcionar incorretamente poucos segundos depois de o motor começar a trabalhar em VMF. A norma de imunidade industrial IEC 61000-6-2 consiste num conjunto completo de exames ED correspondentes a um ambiente industrial. Todos os sistemas de ecrã tátil PCAP destinados a instalações de produção devem ser submetidos a ensaios semelhantes. A norma de imunidade industrial IEC 61000-6-2 especifica os níveis de interferência conduzida e radiada que um equipamento consegue suportar sem apresentar anomalias.

• Boas práticas de ligação à terra
• ✔ Ligar a camada de blindagem ITO à terra do chassis através da junta condutora
• ✔ Manter o comprimento do percurso de terra abaixo de 20 mm — percursos mais curtos têm menor indutância
• ✔ Utilizar díodos TVS em cada conector de E/S da placa do controlador exposto a um campo de elevada radiosidade
• ✔ Blindar o encaminhamento dos cabos FPC/FFC e afastá-lo dos condutores de alta corrente
• ✔ Isolar fisicamente a fonte de alimentação do controlador tátil dos circuitos de acionamento do motor.

Um anel periférico condutor de ITO em redor da área tátil ativa, ligado à terra do chassis pelo percurso mais curto possível através de uma junta condutora, é a medida isolada mais eficaz contra erros de toque induzidos por EMI. Este anel funciona como uma blindagem de Faraday que interceta o ruído radiado antes de este atingir os elétrodos de deteção.

Perguntas frequentes