Linearização do potencialelétrico em telas de toque

Relatório para empresa Nitere

Fernando Fuziantto Dall’AgnolSuelene Silva Mammana

Supervisor-Thebano Emílio dos SantosDivisão de Mostradores de Informação (DMI) do Centro de Tecnologia da Informação

Renato Archer (CTI).

ResumoAs telas de toque usadas em sistemas de autoatendimento requerem que o potencial elétrico seja uniformemente variável ao logo da superfície para determinar a posição doponto de toque. Essa linearização é gerada através de eletrodos distribuídos criteriosamente nas laterais da tela. Neste relatório reportamos a obtensão da linearizaçãodo potencial elétrico em telas de toque em telas de 8” e 16” usando simulação numérica. Este trabalho foi encomendado pela empresa Nitere como parte do desenvolvimento de um projeto Finep.

Introdução

Do que se trata o projeto?Este projeto é comissionado pela empresa Nitere Indústria de Produtos Eletrônicos por meio de um projeto Finep de fomento à inovação tecnológica nas empresas. A Nitere tradicionalmente importa as telas de toque como as utilizadas nos terminais de autoatendimento dos bancos. Estas telas vêm com todos os eletrodos já impressos e a Nitere apenas se dedicava a fazer as conexões elétricas. Agora, como parte deste projeto, ela desenvolve telas de toque em outros tamanhos e razões de aspecto não disponíveis no mercado. A ideia é importar apenas as placas

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de vidro com filme de ITO (indium tin oxide) depositado e desenvolver a técnica de confecção dos eletrodos sobre a placa. A distribuição dos eletrodos e suas espessuras devemser precisas. As simulações aqui descrevem como obter a configuração de eletrodos funcional.

A tela de toqueAs telas de toque podem funcionar com tecnologias distintas. A tecnologia das telas da Nitere é do tipo Resistiva descrita abaixo.

Na tecnologia tipo Resistiva mostrada na figura 1. Nela há duas placas planas (2 e 4) superpostas mantidas separadas por microespaçadores (5). A parte interna das placas é coberta por uma camada fina de material condutor transparente, o oxido de estanho e índio ITO (3). A placade vidro do fundo é mais espessa para conferir resistência mecânica (6), pois esta placa não precisa sofrer deformação. A placa de cima deve ser mais fina e deformar com o toque fazendo com que as duas placas se encostem. Quando uma placa toca a outra o potencial elétrico da placado fundo (6) na região do dedo é transmitido para a placa de cima (2) e o sistema eletrônico (8) reconhece a posição como será descrito a seguir. A superfície de toque geralmente é recoberta com um filme plástico descartável para evitar riscos permanentes no vidro (1).

Fig 1. Representação esquemática de uma tela de toque. (obtida do blog “The Fluid Project” [1]).

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Há algumas tecnologias de telas tipo resistivas. Em todas elas é necessário que o potencial elétrico seja bem conhecido em função da posição (x,y) na tela, pois é a partir do potencial que o controlador determina as coordenadas (x,y). O potencial varia de 0 a 5V entre as laterais verticais da placa durante meio período e de 0 a 5V entre as laterais horizontais durante outro meio período, tal que em cada meio período o potencial aumenta linearmente nas direções x e y alternadamente de acordo comas relações abaixo:

x=VxV L

, (1)

y=VyV H

, (2)

onde Vx é a tensão medida na placa superior no primeiro meio período, Vy é a tensão medida no segundo meio período,L e H são as dimensões da tela. As figuras 2 e 3 mostram a queda do potencial na superfície da placa inferior em cada meio período.

Fig. 2 Fig. 3

H

L

Figs 2 e 3: Variação do potencial para determinação das coordenadas x e y respectivamente.

O par (Vx,Vy) deve ser precisamente linear para que as equações (1) e (2) sejam válidas. Nas placas da Nitere, o potencial é linearizado por uma distribuição espacial de eletrodos nas bordas da placa mostrada na figura 4. Os eletrodos são feitos de uma fina camada de pasta de prata curada termicamente. A determinação das características

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destas linhas de prata é o objetivo das simulações neste trabalho como será mais bem descrito abaixo.

Fig. 4. Placa inferior das telas de toque da Nitere, mostrando os eletrodos nas bordas.

Princípio de funcionamentoA forma como a distribuição de eletrodos mostrada na figura4 lineariza o potencial está ilustrado na figura 5. Nela a diferença de potencial entre os terminais pontuais são distribuídos uniformemente em sucessivas linhas de prata cada qual com mais eletrodos e cada eletrodo mais curto. Nesta figura os números sobre cada eletrodo (i,j) é o valormédio do potencial nos eletrodos da linha anterior. Assim, média sobre média o potencial fica sucessivamente mais homogêneo ao longo das linhas. O processo mostrado na figura 5 é tão mais eficiente quanto menor a separação entre as linhas em relação a largura lij dos eletrodos e quanto menor forem os gaps gij entre os eletrodos. Nosso objetivo é determinar os comprimentos lij, gij, hi e o númerode linhas que tornam o potencial linear no interior da tela.

4

0 5

50 2.5

0 0.125 0.325 50 0.0625 0.125 0.25 0.325 50.4125

hi gij

h<<lij

lij

Fig 5. Ilustração do principio de funcionamento das linhasde eletrodos no processo de linearização do potencial, naqual a última linha contém muitos eletrodos uniformizando opotencial a partir da média dos potenciais das linhasabaixo.

O objetivo das simulaçõesA vantagem da determinação da linearização do potencial viasimulação é a rapidez e o baixo custo. Podemos testar dezenas de configurações até convergir em um sistema bom. Testamos os parâmetros geométricos como comprimento dos eletrodos, espaçamento das linhas de prata (lij, gij, hi) e número de linhas.

As simulações consistem de três etapas: Primeiro a análise da qualidade das telas de toque já em uso pela Nitere de 15polegadas com uma configuração de eletrodos já estabelecidade fábrica mostrado na figura 4. Esta simulação servirá como validação do nosso modelo, pois é de se esperar que a linearidade do potencial seja muito boa nestas placas comerciais tradicionais. Segundo, determinar uma configuração de eletrodos que torne o potencial elétrico linear para telas personalizadas de 8 polegadas dentro da tolerância exigida e por fim para uma tela de 16 polegadas e razão de aspecto de 16/9 (wide screen).

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Abordagem da simulação

SoftwareUtilizamos o pacote básico do software comercial Comsol® v4.3b como plataforma de simulação [2]. Este pacote contém diversos módulos que facilitam a modelagem, pois contém embebidas as equações que descrevem o sistema físico e facilitam a definição das condições de contorno. O módulo utilizado neste trabalho foi o AC/DC que nos provê um sistema elétrico invariante no tempo.

O sistema físicoA figura 5(a) mostra uma das placas simuladas. Ao longo dasquatro bordas fica a distribuição de eletrodos que hão de linearizar o potencial elétrico no interior da placa. A figura 5(b) é uma imagem ampliada da borda mostrando em detalhe os eletrodos. Os terminais sobre a qual a diferençade potencial é aplicada estão realçados em azul. Para a determinação da coordenada x são aplicados 0V nos terminaisem L à esquerda e 5V à direita e para determinação de y são0V embaixo e 5V encima.

(a) (b)

Fig 5. Representação do domínio de simulação. Em (a) uma visão do sistema inteiro; as linhas que cotam o domínio em 4 quadrantes são para facilitar a geração da malha. Em (b) vê se uma das quinas onde os detalhes dos eletrodos podem ser vistos; o eletrodo em azul é o terminal onde a diferença de potencial é aplicada. A linha mais interna tema função apenas de facilitar a geração da malha como será mostrado adiante.

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Aproximações Simulamos apenas a placa do fundo sobre o qual os

eletrodos são montados. O efeito da placa superiora é ignorado. Não há motivo para suspeitar que a placa superior cause qualquer distorção no potencial.

O sistema simulado é puramente 2D. Assim, as espessuras das camadas condutoras dos eletrodos e do filme de ITO condutores são ignoradas. Como a largura dos eletrodos é bem menor que a espessura dos filmes esta aproximação é válida. Há que se tomar o cuidado na hora de definir as condutividades relativas dos materiais proporcionais à razão entre as espessuras dos materiais. Discutiremos isso adiante.

SimetriaO sistema é perfeitamente simétrico com relação a um dos quadrantes. No entanto, optamos por simular a placa inteirapor motivo de clareza visual do resultado. Sobretudo porque, sendo um sistema 2D, o tempo de processamento e a memória utilizada não são problemáticos.

MeshingA geração da malha (mesh), nos nós do qual a solução é calculada, é feita automaticamente pelo software. Mas em geral é necessário que o usuário auxilie o gerador de malha, neste caso, especificamos que a malha dos eletrodos fossem geradas primeiro. Em seguida definimos regiões vizinhas aos eletrodos dentro dos quais a malha era gerada e finalmente geramos a malha no resto do sistema. A figura 6 mostra a ordem com que a malha foi gerada. De outra formao programa gerava erros nesse processo.

(a) (b) (c)

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Fig. 6. Geração da malha para o cálculo por elementos finitos. A malha foi gerada na seguinte ordem: (a) malha é feita apenas sobre os eletrodos de prata, (b) vizinhança dos eletrodos um quadrante por vez e finalmente no interiorda placa (c).

MateriaisOs únicos dois materiais que constituem o sistema são a pasta de prata e o filme de ITO. Para o simulador basta especificar suas condutividades e a permissividade dielétrica. Qualquer valor de permissividade dielétrica provê a mesma solução para o potencial, que é o único parâmetro do nosso interesse. Outras quantidades físicas dependem da permissividade como, por exemplo, o campo elétrico, mas nenhum desses parâmetros nos interessa, portanto fixamos as permissividades dos dois materiais comosendo a unidade.

A condutividade dos materiais pode influenciar a distribuição do potencial elétrico. No entanto o potencial tende a uma distribuição independente das condutividades desde que a razão entre as condutividades da prata e do ITOseja >> 1. Analisamos a linearidade do potencial em função da razão das condutividades, pois tínhamos a condutividade da pasta de prata que pode ser muito menor que a condutividade da prata em si.

Observação: Na simulação do sistema 2D efeitos da espessuranão aparecem. Assim, é importante que a razão entre as espessuras dos filmes sejam levados em conta na razão entreas condutividades dos filmes. Por exemplo, se o filme A temmesma condutividade que as trilhas, mas espessura 10 vezes menor. Então, em 2D consideramos a razão entre as condutividades trilhas/filme como sendo de 10 vezes para compensar a espessura que não pode ser representada.

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Resultados

Número de linhas de eletrodosÉ conveniente que o número de linhas seja a menor possível para não tomar área útil da tela. A figura 7 mostra como ocorre a evolução da linearização à medida que acrescentamos mais linhas de eletrodos. Na figura 7 (d) o potencial já é linear dentro da tolerância à uma distância de apenas 5 mm dentro da área útil da tela. Quanto mais interno à tela mais linear será o potencial.

(a) (b)

(c) (d)

Fig 7. Linearização do potencial em função do número de linhas de eletrodos. Em (d), com 4 linhas, o potencial já élinear dentro da tolerância.

Observação: Para esta análise, basta calcular o potencial na direção do maior comprimento da tela (direção horizontal). Se nela a linearização estiver boa então na outra direção também estará.

A figura 8 mostra a flutuação do potencial (em curvas azuis) em relação à uma linha reta (curvas verdes)correspondente aos gráficos da figura 7. É através deste gráfico que quantizamos a linearização. Se a flutuação for menor do que 2% em uma tela de 15” o resultado é considerado bom.

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(a)

(c)

(b)

(d)

Fig. 8. Flutuação do potencial em torno do valor ideal a 5 mm da linha mais interna. De (a) a (d) temos respectivamente 1, 2, 3 e 4 linhas de eletrodos.

Razão entre condutividades do ITO e pasta de prataA condutividade dos materiais determinam as correntes e as potências totais dissipadas pela tela, mas a linearização só depende da razão entre as condutividades. Na tela de 15” estabelecemos a condutividade do ITO como sendo 1 e variamos a da pasta de prata desde 10 a 105. Note pela figura 9 que o erro de precisão no toque estabiliza em torno de 4% para prata/ITO600, portanto este é o valor recomendado na confecção das telas. Sempre é possível obter esta condição aumentando a espessura das trilhas de prata.

Porce

ntagem

prata/ITO

Fig 9. Análise da linearidade em função da razão entre ascondutividades dos materiais. Para uma tela de 15” a razão

mínima deve ser de 600 vezes.

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Tela de 8”As telas de 8” da Nitere são partes do projeto com a Finep.Nesta etapa usamos como ponto de partida uma configuração deeletrodos aproximadamente igual à tela de 15”, fizemos umaredução de escala de 8/15 avos, nas estruturas que poderiam serreduzidas. A espessura mínima das trilhas de prata foi definidaem 0.4mm, sendo o limite da técnica que a Nitere pretende usarnas confecções das telas. Então, testamos a variação de algunsparâmetros até que a flutuação ficasse menor que 2%. As figuras10, 11 e 12 mostram respectivamente a linearização do potencialem degrade de cores, em curva de nível e a flutuação em torno deuma reta. O resultado final é uma flutuação de 1.4%.

Fig10: Vista em degrade da linearização do potencial das telasde 8”.

Fig. 11. Vista em curvas de níveis da linearização do potencial.

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Fig. 12. Flutuação menor de 2% no potencial à 2mm dentro dalinha de eletrodos mais interna.

A distribuição do potencial foi obtida através dos parâmetroslistados na tabela I

Tabela I: Parâmetros usados na linearização do potencial nastelas de 8” e razão de aspecto 3/4 da Nitere.

Parâmetro Valor descriçãoLe 16.26cm largura Hi 12.2cm alturate 0.4mm largura da trilha de

pratah1 1.4mm distância da 1ª

linha à bordah2 2.8mm distância da 2ª

linha à bordah3 4.2mm distância da 3ª

linha à bordah4 5.6mm distância da 4ª

linha à bordac1 3.60cm comprimento do

terminal gap1 1.51cm definido na figura5gap2 1.6mm “gap3 1.6mm “gap4 0.85mm “

Observação: A montagem dos eletrodos foi feita na direçãohorizontal. Na direção vertical apenas multiplicamos pela razão

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de aspecto da tela (8/15 neste caso) e giramos 90º respeitando alargura mínima da trilha de prata de 0.4mm.

Tela de 16” wide screenAs telas de 16” wide screen também são partes do projeto com aFinep. Inicialmente usamos a mesma configuração de eletrodos quenas telas de 8” simplesmente aumentando a razão de aspecto, masmantendo as trilhas com largura de 0.4mm. Eventualmenteprecisamos ajustar alguns parâmetros para melhorar o erro, oqual chegou a 2.2%. A tela linearizada está mostrada na figura13. Os parâmetros usados estão mostrados na tabela II.

Fig 13: Tela de 16” wide screen. Linear com erro de 2.2%.

Tabela II: Parâmetros para linearização da tela de 16” e 16/9.

Parâmetro Valor descriçãoLe 34.42cm largura Hi 19.36cm alturate 0.4mm largura da trilha de

pratah1 1.4mm distância da 1ª

linha à bordah2 2.8mm distância da 2ª

linha à bordah3 4.2mm distância da 3ª

linha à bordah4 5.6mm distância da 4ª

linha à bordac1 7.58cm comprimento do

terminal gap1 3.18cm definido na figura5gap2 2.4mm “gap3 2.4mm “

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gap4 1.6.mm “

ConclusãoObtivemos as linearizações das telas de 8 e 16 polegadas usando 4 linhas de eletrodos, cada qual com os parâmetros geométricos especificados. Os erros estão dentro da tolerância das telas de toque, que são usadas atualmente pela Nitere.

Próximos passosEstamos aguardando a confecção de uma das placas simuladas para fazer a validação das simulações.

Arquivos suplementaresOs programas do Comsol intitulados:

“Recovered simulation Tablet linear 8 inches.mph”; “Recovered simulation Tablet linear Wide.mph”; “Tablet nitere detailed electrodes wide.mph”; “Tablet nitere detailed electrodes.mph”;

são os arquivos básicos como pontos de partida caso este projeto venha a ser continuado. Estes arquivos funcionam bem e não contém erros.

As figures deste relatório estão contidas no arquivo tipo pptx The figures of this report in pptx:

“Figuras do relatório da linearização do potencial elétrico.pptx”

Referências

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1 http://wiki.fluidproject.org/display/fluid/Benchmarking+-+Touch+Screen+Options 2 www.comsol.com