Sensor táctil sin contacto para interacciones más seguras

Por Aimee Kalnoskas | 3 de septiembre de 2019

por Richard Berglind, ingeniero óptico senior, Neonode Inc.

Los teléfonos inteligentes y otros productos portátiles han convertido el contacto en la interfaz hombre-máquina (HMI) preferida para muchos otros productos. La detección táctil es fácil de implementar, fácil de usar, confiable y rentable. Sin embargo, existen muchas aplicaciones y situaciones en las que no se desea tocar físicamente un dispositivo y, de hecho, en algunos casos se debe evitar. Antes de discutir una solución para estas aplicaciones más restrictivas, es necesario un poco de experiencia en detección táctil.

Según un informe de mercado reciente, existe una necesidad creciente de detección táctil [1]. El informe proyecta que el mercado mundial de sensores táctiles alcanzará aproximadamente 8.400 millones de dólares en 2023, creciendo a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 12,8% durante el período previsto 2018-2023. Las tecnologías típicas de detección táctil incluyen: resistiva, capacitiva, onda acústica superficial (SAW), infrarroja (IR), imágenes ópticas y, más recientemente, reconocimiento de pulso acústico (APR). En su implementación más común, todos estos enfoques requieren un contacto real con la superficie. Sin embargo, existen aplicaciones que no quieren o deben evitar el contacto físico y necesitan un enfoque de detección más sofisticado.

Una posibilidad sería utilizar una tecnología de tiempo de vuelo para identificar interacciones en el aire sobre una pantalla táctil [2]. El tiempo de vuelo es una técnica de alcance que resuelve la distancia entre el sensor y un objeto midiendo el tiempo que tarda la luz en viajar hasta un objeto y regresar al sensor. La precisión es del orden de 1 cm, lo que lo hace inadecuado para fines de interacción táctil. Mejorar la precisión generalmente significaría una velocidad de fotogramas más lenta. Además, este tipo de sensor requiere calibración y es sensible a los cambios de temperatura.

Otra alternativa es la tecnología infrarroja. El toque infrarrojo tradicional requiere un marco que rodee la pantalla con emisores en dos lados adyacentes y receptores en los lados opuestos. El área interactiva táctil se eleva desde la pantalla simplemente levantando el marco alrededor de la pantalla. Sin embargo, el borde resultante alrededor de la pantalla no sólo sería difícil de incorporar estéticamente en un dispositivo, sino que también dificultaría la limpieza de la pantalla, frustrando así uno de los propósitos de su uso.

El tacto infrarrojo se puede implementar utilizando tecnología reflectante montando un sensor a lo largo de un borde de una pantalla. El área de interacción consiste en una lámina de luz que se proyecta fuera del sensor y se coloca a una distancia deseada sobre la superficie de la pantalla como se muestra enFigura 1.

Figura 1. Un sensor táctil IR que utiliza tecnología reflectante tiene el área de interacción elevada por encima de la pantalla.

El sensor táctil infrarrojo consta de una serie de emisores y receptores alternos como se muestra enFigura 2 . Se prefieren los emisores láser a los LED, ya que son más fáciles de colimar y generan menos luz parásita interna dentro del módulo del sensor. Cualquier luz parásita interna debe mantenerse al mínimo para que no interfiera con la luz que genera la señal reflejada por un objeto fuera del detector. Como emisores se utilizan láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) que funcionan a 945 nm y como receptores fotodiodos de silicio. Se utilizan lentes de policarbonato moldeado para colimar la luz de los emisores y estrechar el campo de visión de los receptores.

Figura 2. El diagrama de bloques eléctrico de un sensor táctil con tecnología reflectante muestra los emisores láser y los receptores de fotodiodos alternos.

El uso de ópticas compartidas tanto para los emisores como para los receptores obliga al campo de visión del receptor a formar un ángulo hacia la dirección de la luz emitida, como se muestra enFigura 3 (a) . Este ángulo normalmente varía entre 17 y 26 grados dependiendo de la relación de aspecto del área de detección del sensor.

Figura 3. (a) El emisor y el receptor comparten parte de la misma óptica, lo que obliga al campo de visión del receptor a formar un ángulo hacia la luz emitida. (b) Cada receptor mira a través de múltiples haces emisores. La parte central de cada área de superposición entre un haz saliente y el campo de visión del receptor está marcada con un círculo relleno.

Con múltiples emisores, el beneficio de esta geometría se vuelve más obvio. Cada receptor mira a través de varios emisores y para cada emisor existe un área donde la luz emitida y el campo de visión (FOV) del receptor se superponen, como se muestra enFigura 3 (b) . Sólo en esta zona un detector puede recibir una señal de un objeto iluminado por el emisor específico. Fuera de esta región, el detector no recibirá ninguna señal.

Dado que cada receptor está ubicado entre dos emisores, el receptor también detectará la luz que ingresa a través de la óptica compartida con el otro emisor vecino. Esto permite la generación de una cuadrícula 2D con regiones superpuestas.

Durante una exploración, cada emisor se explora consecutivamente, mientras que se registran múltiples señales del receptor simultáneamente. A diferencia de los detectores de proximidad por infrarrojos, que dependen de la intensidad de la señal para posicionar los objetos, el diseño del sensor de tecnología reflectante ha convertido el posicionamiento de los objetos en una cuestión geométrica. La posición de un objeto se determina en función de qué combinaciones de emisor y receptor generan una señal durante un escaneo.Figura 4 muestra la detección de un objeto cerca del sensor, así como la detección de un objeto situado más lejos del sensor. Cada detección se basa en señales de dos emisores y tres receptores. Los emisores son los mismos, pero los receptores son diferentes, lo que permite distinguir entre las dos ubicaciones de los objetos.

Figura 4. Dependiendo de la posición del objeto, diferentes receptores detectan la luz reflejada.

Todos los sensores comparten un ancho común (14,5 mm) y un grosor (3,46 mm) (consulte la barra lateral).Figura 5 muestra una vista detallada del sensor y sus componentes internos. La integración eléctrica se realiza a través del conector en el borde del conjunto de la placa de circuito impreso (PCBA). Hay 8 almohadillas de contacto y el contorno de la PCB coincide con el de un conector estándar de cable plano flexible (FFC)/circuito impreso flexible (FPC) de 0,3-0,33 mm de espesor con paso de 1 mm y conectores montados en la parte superior. Esta conexión permite que el sensor se comunique con un sistema host a través de una interfaz USB o I2C estándar.

Figura 5. La estructura interna de un sensor táctil IR reflectante muestra cómo sus componentes se unen en una sola estructura.

Para muchas aplicaciones, sería agradable o extremadamente deseable interactuar con una pantalla o superficie sin tocarla. Un sensor basado en tecnología de infrarrojos reflectantes proporciona una solución para la interacción táctil sin contacto. Controlando el espacio entre el sensor y la pantalla, la lámina de luz proyectada por el sensor se puede elevar por encima de la pantalla. El área de interacción táctil resultante se sitúa sobre la pantalla y hace que la pantalla responda al tacto sin ningún contacto físico entre el usuario y la pantalla. Esta detección táctil sin contacto proporciona una interacción segura en aplicaciones médicas, dispensación de alimentos y, de hecho, en cualquier área pública con interfaces frecuentes de máquinas donde existe riesgo de transmisión de patógenos.