Tecnología de pantallas táctiles
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En este post se estudian los diversos tipos de pantallas táctiles del mercado, sus ventajas, inconvenientes y usos. Se pone especial hincapié en las Resistivas y las Capacitivas, pues son las más utilizadas por los actuales dispositivos electrónicos y, por lo tanto, las de mayor interés.
Índice
Notas previas a la lectura
Este texto fue escrito como un trabajo optativo para la asignatura de “Fundamentos Físicos y Teóricos de la Informática” en 2018. A finales de 2020, he decidido que tiene un mínimo de calidad suficiente como para ser publicado y, aunque no es un texto que considere especialmente destacable, la nostalgia que me produce leerlo me anima a revisarlo y compartirlo. Siendo esto así, he decidido corregir ciertos errores ortográficos y adaptar la redacción a un estilo que me resulta más agradable a día de hoy, logrando lo que se puede ya considerar la segunda edición de este trabajo. También he comprobado la corrección de la bibliografía y el estilo de los títulos, intentando mantener en todo momento la máxima fidelidad al texto original.
Con todo esto dicho, espero que os guste lo que mi yo de diecinueve años escribió a contrarreloj durante la Semana Santa del año 2018,
Sergio Miguéns Iglesias, diciembre de 2020.
Eso es lo que dije de aquella, pero tampoco tenía ningún sitio en el que publicar mi trabajo. Ahora que lo tengo, si bien dos años más tarde, aprovecho y lo libero por aquí. Espero que no se note demasiado la antigüedad de este post, pero me temo que mi forma de escribir ha cambiado tanto que ni un millar de revisiones, que es casi lo que he tenido que hacer para sentirme cómodo publicando esto, lograrían engañar a alguien habituado a mis textos.
I. Introducción
Las pantallas táctiles son, actualmente, una tecnología que ha invadido casi la totalidad de los hogares del mundo gracias a su sencillez de uso y a su gran abanico de posibles aplicaciones, tanto para las personas (smartphones y tablets), como para las empresas (máquinas de control industrial), por lo que entender el funcionamiento de las mismas es de crucial interés para cualquier ingeniero, y especialmente para los informáticos, que somos los responsables de desarrollar software que aproveche este método de interacción persona-ordenador. En este documento se pretende realizar un resumen de las tecnologías más empleadas en 2018, actuando de guía para todas aquellas personas que quieran profundizar sus conocimientos en la materia en cuestión, pero sin entrar en demasiado detalle técnico.
En el apartado II del presente texto se revisarán los tipos de pantallas táctiles, sus ventajas, inconvenientes y aplicaciones. Al final se proporcionarán unas breves conclusiones basándose en lo visto en el punto anterior. Se finalizará con una bibliografía donde se encontrarán los recursos empleados durante la redacción del documento.
II. Tipos y funcionamiento
Como uno se podría imaginar, existen diversos tipos de pantallas táctiles, teniendo cada uno sus ventajas e inconvenientes. Para poder entender completamente estos diferentes tipos, estos han de ser analizados por separado. Este apartado se dedica precisamente a esa tarea, describiendo las pantallas de tecnología resistiva, capacitiva, lumínica y sónica.
II.A. Pantallas resistivas
Las pantallas táctiles resistivas son una tecnología que se encuentra normalmente en teléfonos móviles y otros dispositivos de uso corriente, normalmente de gama baja. Su diseño consiste en dos láminas paralelas ligeramente separadas, con líneas conductoras cruzando cada una de ellas. Estas líneas van de arriba abajo en una de las láminas y de izquierda a derecha en la otra. Cuando el usuario toca la pantalla, las dos láminas hacen contacto en el punto de presión, dejando pasar una corriente eléctrica de la capa superior a la inferior que, gracias a la disposición de las líneas conductoras, permite identificar la posición de la pulsación. Las líneas actúan entonces como un sistema de coordenadas, que a más líneas conductoras, más preciso se vuelve.
Este tipo de pantallas son especialmente buenas a la hora de detectar el contacto con un stylus o lápiz táctil, y también funcionan cuando el usuario está utilizando guantes de contacto. Son menos deseables cuando las manos están descubiertas, principalmente por su falta de sensibilidad y por la necesidad de cierta presión sobre la pantalla, que hace que la experiencia no sea del todo fluida. Otro inconveniente es la reducción del brillo de la pantalla, ya que al requerir varias capas con cuadrículas eléctricas, las luces de fondo (backlight) de las pantallas LCD quedan cubiertas.
Las pantallas resistivas se usaban en las antiguas PDAs y en los primeros smartphones por los fáciles y baratas que eran (y son) de diseñar e implementar. A pesar de este auge inicial, y por los problemas ya expuestos, en los últimos tiempos han sido sustituidas casi completamente por las pantallas capacitivas, que son mucho más responsivas. De todas formas, aún es muy común encontrase con este tipo de pantallas y, dado su bajo coste, no se espera que esto cambie en el futuro cercano.
II.B. Pantallas capacitivas
Las pantallas táctiles capacitivas son las pantallas más empleadas hoy en día en los smartphones y tablets. Su funcionamiento consiste en utilizar un material aislante transparente (normalmente cristal) recubierto de un conductor transparente (como el óxido de indio y estaño) que crean en conjunto un campo electrostático, un capacitor. Cuando la pantalla es tocada (y siendo el cuerpo humano un conductor) el campo electrostático se ve alterado, modificando la capacidad eléctrica de la misma, cambio que es medido para detectar la pulsación.
Dentro de las pantallas capacitivas se encuentran dos categorías principales: las pantallas de capacidad de superficie y las de capacidad proyectada. En las primeras el funcionamiento es el explicado anteriormente, pero con sensores añadidos en las esquinas que miden el cambio de capacidad y son, en conjunto, capaces de determinar la posición en la que se está aplicando la presión. Tienen el defecto de ser poco precisas y requerir calibración por parte del fabricante, por lo que solo son usadas en máquinas de control industrial y kioscos interactivos, pero no en dispositivos personales. Para evitar esos problemas se desarrolló el segundo tipo de pantallas capacitivas, las de capacidad de superficie, que utilizan un recubrimiento grabado de tal manera que el campo electrostático generado sea tridimensional, pudiendo detectar pulsaciones incluso sin contacto directo, lo que permite emplear capas adicionales para protección. La detección dependerá del subtipo concreto de pantalla (capacitancia mutua o autocapacidad, que no serán descritos aquí), pero en todo caso consistirá en medir los cambios en la carga de los capacitores grabados.
La tecnología capacitiva permite la creación de sensores multitouch capaces de medir la posición de hasta 10 dedos en la pantalla, pero al contrario que las pantallas resistivas, no podrá emplearlas con guantes puestos o con un stylus, pues estos accesorios evitan la conducción de la pantalla al cuerpo. Para remediar este problema, se han desarrollado nuevos lápices táctiles capaces de conducir corriente eléctrica, así como guantes con pequeños conductores en las puntas de los dedos.
II.C. Pantallas de detección sónica
Existen dos tipos principales de sensores que emplean el sonido, los de pulso acústico y los de onda acústica de superficie. Las pantallas de pulso acústico se fundamentan en el hecho de que cuando algo hace contacto con la pantalla, esta vibra, enviando un ligero pulso sonoro que más tarde puede ser detectado para calcular su origen. Este tipo de sensor tiene la ventaja de que, al no necesitar nada más que un cristal, la claridad de la imagen producida por esta es alta, mas no tiene función multitouch ni es capaz de detectar un dedo estático, ya que este no genera ninguna vibración y, por lo tanto, ninguna onda sonora detectable. En el caso de las pantallas de onda acústica de superficie, se hace pasar ondas ultrasónicas por la superficie del cristal, que son absorbidas por el dedo al contacto, permitiendo detectar la pulsación en cualquier punto de la pantalla. Las ventajas y desventajas son iguales que para las de pulso acústico.
Como se puede observar, ambos tipos funcionan de manera similar, pero inversa. Las pantallas de pulso acústico dependen de que el usuario haga vibrar la pantalla, y detectan dicha vibración; mientras que las de onda acústica de superficie generan ellas la vibración y esperan a que el usuario la bloquee.
II.D. Pantallas de detección lumínica
Los sensores táctiles por luz son muy variados y con funcionamientos muy distintos, pero a nivel elemental comparten la característica de detectar cambios en la luz que pasa a través de un cristal. Las tres tecnologías a continuación son las más comunes dentro de este tipo, aunque existen muchas más:
- Pantallas con matriz infrarroja: Estos dispositivos crean una cuadrícula de haces de luz infrarroja a través de un cristal. Cuando este es pulsado, los haces son interrumpidos, permitiendo saber dónde se está produciendo el toque. Su principal ventaja es que pueden ser operados con guantes o cualquier objeto siempre que sea opaco, pero tienen bastantes defectos, como ser susceptibles a la tierra o al polvo o causar falsas detecciones cuando el usuario aún no ha tocado la pantalla.
- Pantallas de proyección infrarroja acrílica: En este caso, se sitúan en los bordes de la pantalla unos emisores de infrarrojos y unas cámaras. Cuando el usuario aplica presión, la luz que pasa por el cristal se fuga con intensidad máxima en el punto de presión, dejando que las cámaras la detecten. Esta tecnología es la usada, por ejemplo, por las tablets “PixelSense” de Microsoft.
- Pantallas de imagen óptica: Estas pantallas son relativamente nuevas, pero están creciendo en popularidad gracias a lo fáciles que son de implementar en grandes monitores. Utilizan unos emisores de infrarrojos y unas cámaras encargadas de detectar el bloqueo de la luz y su posición cuando se toque la pantalla. Ambos componentes se ponen en los bordes de la pantalla, en puntos opuestos.
III. Conclusiones
Todas las tecnologías expuestas tienen sus ventajas e inconvenientes, que hacen que sean usadas en unas situaciones u otras. Hoy en día se comienzan a ver teléfonos con pantallas curvas y lectores de huellas dactilares incorporados en ellas, algo impensable hace años, y que es resultado de una mejora exponencial en el ámbito del diseño de pantallas táctiles y de la ingeniería de materiales, campos que van muy de la mano. Es posible que en un futuro, teniendo en cuenta la velocidad de desarrollo de esta tecnología, aparezcan pantallas táctiles flexibles y plegables con precios asequibles. Un informe posterior podría ser elaborado para profundizar en los conceptos aquí discutidos y estudiar estas nuevas tecnologías que, desgraciadamente, quedaron fuera del presente texto por una limitación en la extensión del mismo.
IV. Bibliografía
[1] Colaboradores de Wikipedia. Touchscreen [en línea]. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2018 [fecha de consulta: 31 de marzo de 2018]. Disponible en: Wikipedia.
[2] Colaboradores de Wikipedia. Resistive Touchscreen [en línea]. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2018 [fecha de consulta: 29 de marzo de 2018]. Disponible en: Wikipedia.
[3] Netambulo. Tipos de pantallas táctiles: resistivas, capacitivas e infrarrojas [en línea]. Netambulo, 2018 [fecha de consulta: 30 de marzo de 2018]. Disponible en: Wikipedia.
[4] Colaboradores de Wikipedia. Capacitive Sensing [en línea]. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2018 [fecha de consulta: 30 de marzo de 2018]. Disponible en: Wikipedia.
[5] Colaboradores de Wikipedia. Pantalla Táctil [en línea]. Wikipedia, La Enciclopedia Libre, 2018 [fecha de consulta: 31 de marzo de 2018]. Disponible en: Wikipedia.