¿Cómo se diseña un sistema de control táctil de bajo costo?

Las pantallas táctiles capacitivas ya no se consideran una novedad. A medida que se envían millones de teléfonos inteligentes y tabletas, su adopción aumenta. Sin embargo, ahora que prevalecen, las personas están menos dispuestas a pagar un precio mayor por la tecnología.

Para mantener los márgenes de beneficio en este clima competitivo, los fabricantes de equipos originales deben reducir los costos de los dispositivos, y el módulo de pantalla táctil es uno de los componentes más caros de los dispositivos con pantalla táctil. Los diseñadores pueden reducir los costos del sistema empleando apilamientos y patrones de paneles, pantallas, materiales, enrutamiento y controladores adecuados.

1. Lente de cubierta y sensor de pantalla táctil

Un sistema de pantalla táctil estándar consta de un sensor de pantalla táctil capacitivo proyectado laminado a una lente de cubierta protectora, un circuito impreso flexible (FPC) adherido con el controlador de pantalla táctil conectado y una pantalla. El FPC conecta el controlador de pantalla táctil al procesador host. La pantalla se encuentra debajo del sensor de la pantalla táctil y generalmente está separada por un espacio de aire o laminada directamente.

Un sistema de pantalla táctil capacitiva estándar consiste en un sensor de pantalla táctil capacitiva proyectado laminado a una lente protectora, un FPC unido con el controlador de pantalla táctil conectado y una pantalla.

La lente de cubierta es la capa física superior del sistema de pantalla táctil. El coste varía mucho en función del material utilizado (vidrio o polimetilmetacrilato, o PMMA), de los recubrimientos especiales (oleofóbicos, hidrófobos), de la tinta decorativa y del número de agujeros de perforación para cámaras o sensores. El PMMA, una alternativa menos costosa, más liviana y resistente a los golpes al vidrio más duradero y ópticamente transmisivo, puede reducir los gastos hasta en un 50%.

Sin embargo, los sensores de PMMA pueden exhibir una sensibilidad de señal reducida. El PMMA también es más flexible que el vidrio, lo que puede hacer que el panel se doble cuando un dedo u otro objeto presiona hacia abajo con una fuerza sustancial. El doblado del panel puede dar lugar a informes táctiles erróneos e inexactos. Sin embargo, un sustrato de vidrio o una capa de protección adicional en el sensor de la pantalla táctil pueden evitar que el panel se doble. Como resultado, el material de la lente de la cubierta debe abordarse cuidadosamente al apilar los sensores de la pantalla táctil.

2. Los productos táctiles modernos emplean una variedad de apilamientos de sensores

Los sensores de pantalla táctil tienen arquitecturas complejas. Se crean pulverizando óxido de indio y estaño (ITO) sobre un sustrato de vidrio o PET y luego grabando un diseño patentado en el ITO. Los patrones y estructuras de cada capa de sensores son específicos para los requisitos de diseño del sistema.

Los diseños de pantalla táctil estándar a menudo emplean sensores de pantalla táctil ITO de dos capas, como los sensores MH3 y de diamante que se muestran en la Figura 2, para proporcionar alta precisión, linealidad y rendimiento multitáctil. Los sustratos utilizados en los diseños de sensores de dos capas incluyen vidrio y tereftalato de polietileno (PET). El PET es menos costoso y proporciona una inmunidad superior al ruido de la pantalla, pero dará como resultado una modesta reducción de la claridad óptica. En última instancia, la forma más eficiente de reducir los precios de los sensores de pantalla táctil es limitar la cantidad de capas de apilamiento.

Al incorporar sensores de una sola capa, los diseñadores de sistemas pueden reducir los precios de los sensores hasta en un 50%. Menos capas (sustrato, ITO y adhesivo ópticamente transparente (OCA) ayudan a los proveedores de paneles táctiles a reducir los costos de materiales y herramientas. Manejar menos capas también aumenta el rendimiento de fabricación. Las pantallas táctiles de una sola capa de bajo costo están hechas con un solo sustrato de PET con un patrón patentado simplificado que tiene una buena transmisividad óptica.

Los sensores de una sola capa tienen una precisión y linealidad reducidas y un número limitado de toques de dedos compatibles. Estos sistemas de sensores de una sola capa de bajo costo son excelentes para teléfonos inteligentes y teléfonos básicos de nivel básico.

Los diseñadores de sistemas que han utilizado anteriormente pantallas táctiles resistivas o sin pantallas táctiles pueden encontrar esta opción de apilamiento ideal para sus requisitos de diseño y presupuesto. Las pantallas táctiles capacitivas de una sola capa tienen varias ventajas sobre las pantallas táctiles resistivas, incluida una claridad óptica superior, un menor consumo de energía, una mayor longevidad y una mejor experiencia de usuario.

Las tecnologías multitáctiles de una sola capa, como SLIM (Multitáctil independiente de una sola capa) de Cypress, pueden ahorrar hasta un 40% del costo de los sensores de doble capa. Los sensores de una sola capa ofrecen un rendimiento significativamente menor, pero se destacan por adaptarse a los factores de forma más pequeños. Los sensores multitáctiles de una sola capa también pueden habilitar sensores de pantalla táctil de borde delgado o sin bordes, lo que permite que el área activa de la pantalla táctil se expanda. Los diseñadores que buscan reducir tanto el costo como el grosor pueden investigar sensores de una sola capa.

Los tamaños de pantalla más pequeños son mucho más económicos. El tamaño del área activa afecta los gastos de la pantalla táctil. Los diseñadores de sistemas deben evaluar todas las opciones para optimizar el diseño y la selección de paneles.

3. Diseño de FPC

Otra forma de reducir los gastos del dispositivo es a través del diseño de FPC. El FPC conecta la entrada/salida sensorial (E/S) del panel de pantalla táctil al controlador de pantalla táctil, que a su vez se conecta al procesador host.

Las FPC pueden ser activas o pasivas. En los FPC activos, el controlador de la pantalla táctil y cualquier otro componente externo, como resistencias y condensadores, se encuentran en el propio FPC. Las FPC pasivas contienen líneas de enrutamiento simples y un controlador de pantalla táctil, con componentes externos instalados en una placa de circuito impreso (PCB).

Ya sean activas o pasivas, las FPC se pueden enrutar de varias maneras. La eficiencia y versatilidad de la rutina facilitan la integración de otros componentes de hardware. Sin embargo, tenga en cuenta que el número de niveles de enrutamiento aumenta los costos. Un enrutamiento cuidadoso en una sola capa ayudará a reducir los gastos de FPC. El enrutamiento de una sola capa tiene beneficios significativos para la integridad de la señal y la arquitectura FPC compacta.

4. Pantallas

En un sistema de pantalla táctil, el sensor de pantalla táctil capacitiva proyectado se encuentra en la parte superior de la pantalla. Las pantallas son naturalmente ruidosas, por lo que el ruido de la pantalla puede emparejarse directamente con el sensor de la pantalla táctil. Esto reduce la sensibilidad táctil y provoca una activación táctil errónea. Las buenas decisiones de diseño pueden ayudar a reducir el ruido de la pantalla al mismo tiempo que mejoran el rendimiento y la rentabilidad. Producto relacionado: Pantalla táctil capacitiva PCAP de 10,1 pulgadas.

Las pantallas son naturalmente ruidosas. El ruido de las pantallas puede emparejarse capacitivamente con las pantallas táctiles, lo que reduce el rendimiento táctil.

Para reducir el ruido de la pantalla, la industria ha agregado históricamente una capa de "escudo" ITO entre la pantalla y el sensor de la pantalla táctil. Aunque es eficaz, la capa de protección aumenta el coste y el grosor del módulo de pantalla táctil. Para aislar la pantalla del sensor de la pantalla táctil, otra opción es usar un pequeño espacio de aire, a menudo entre 0,2 mm y 0,5 mm.

Un espacio de aire es menos costoso que una capa de escudo, pero aumenta el ancho del módulo de pantalla táctil, que se está volviendo impopular entre los fabricantes de equipos originales que desean fabricar teléfonos más elegantes y delgados. La elección de la pantalla será una consideración de diseño más crucial.

Las pantallas LCD de transistores de película delgada (TFT) siguen siendo las pantallas más populares para teléfonos móviles y tabletas en la actualidad, y están disponibles en dos variedades: voltaje común de CC (DCVCOM) y voltaje común (ACVCOM). La diferencia es el mecanismo para impulsar la capa de electrodo común (VCOM). Las pantallas LED orgánicas de matriz activa (AMOLED) también se están volviendo cada vez más populares en los dispositivos de gama alta, gracias a sus amplios ángulos de visión, brillo y contraste mejorados, menor consumo de energía y grosor reducido.

Los AMOLED tienen un ruido de pantalla muy bajo y se encuentran entre las pantallas más silenciosas, pero son caros.

Las pantallas DCVCOM también suelen ser silenciosas y caras. ACVCOM, por otro lado, produce mucho ruido sin dejar de ser muy económico. La elección de la pantalla está fuertemente influenciada por el uso previsto del dispositivo por parte de los usuarios finales. La aplicación de destino determinará el hardware y el rendimiento adecuados para sus clientes.

5. Controlador de pantalla táctil

Aunque es menos costoso que la pantalla o el panel de pantalla táctil, el controlador de pantalla táctil tiene el mayor impacto en el rendimiento del sistema de pantalla táctil. El controlador de pantalla táctil utiliza tecnología de procesamiento y detección capacitiva para detectar toques y movimientos de los dedos y comunicar su ubicación y comportamiento a la CPU host.

Cuando se coloca un dedo en una pantalla táctil capacitiva proyectada, el controlador de pantalla táctil detecta el cambio en la capacitancia y lo traduce a valores digitales. Esta conversión digital es procesada por los potentes algoritmos de resolución táctil del controlador de pantalla táctil antes de enviarse a la CPU host con coordenadas táctiles y otros datos necesarios.

Las señales sensibles al ruido proporcionan un problema técnico importante para las pantallas táctiles. Se requieren controladores con interfaces analógicas de alta calidad, capacidades integradas de manejo de ruido y algoritmos de procesamiento complejos. Dado que la función táctil se está convirtiendo en la interfaz de usuario preferida para muchos dispositivos electrónicos de consumo, la calidad de los controladores de pantalla táctil tendrá un impacto directo en la experiencia del usuario final. Elegir el controlador de pantalla táctil correcto es fundamental para obtener beneficios de rendimiento y costos.

Un controlador con una alta relación señal-ruido (SNR) y un buen manejo del ruido puede compensar la pérdida de intensidad de la señal causada por fuentes de ruido como una lente de cubierta de PMMA más barata o una pantalla ACVCOM ruidosa. Para ayudar a optimizar el rendimiento de los sensores multitáctiles y de bajo costo de una sola capa, los controladores de pantalla táctil deben proporcionar algoritmos de procesamiento compatibles. Además, las ventajas económicas del enrutamiento FPC de una sola capa solo se pueden obtener si el pinout del controlador de pantalla táctil admite un diseño de enrutamiento flexible.

Los controladores de pantalla táctil también pueden reducir los gastos del sistema al admitir funcionalidades adicionales. Por ejemplo, la mayoría de los controladores de pantalla táctil leen el agua en una pantalla táctil como un toque con el dedo, ya que sus firmas de capacitancia son similares. Para abordar este problema, los fabricantes de paneles de pantalla táctil pueden aplicar una costosa capa de recubrimiento hidrofóbico a la lente de la cubierta.

Cuando las gotas de agua caen sobre la lente de la cubierta, el recubrimiento ayuda a dividirlas en pequeñas gotas, evitando que se registren como toques. No obstante, un controlador de pantalla táctil que admite de forma nativa el rechazo de agua a través de sus capacidades de hardware y firmware puede detectar y rechazar agua en la pantalla táctil utilizando algoritmos integrados, lo que ahorra al OEM costos de recubrimiento adicionales.

6. Resumen

Los diseñadores inteligentes que entienden el sistema de pantalla táctil y sus componentes principales pueden reducir drásticamente los costos al tomar decisiones sensatas de diseño y selección para la lente de la cubierta, el material del sensor y el apilamiento, el tipo de pantalla y el enrutamiento FPC. Un controlador de pantalla táctil creativo y de alto rendimiento puede reducir los costos sin sacrificar el rendimiento, asegurando que el producto final se venda en primer lugar.