Sensor de toque sem contato para interações mais seguras

Por Aimee Kalnoskas | 3 de setembro de 2019

por Richard Berglind, engenheiro óptico sênior, Neonode Inc.

Smartphones e outros produtos portáteis tornaram o toque a interface homem-máquina (HMI) preferida para muitos outros produtos. A detecção de toque é fácil de implementar, fácil de usar, confiável e econômica. No entanto, existem muitas aplicações e situações em que o toque físico num dispositivo não é desejado e, de facto, em alguns casos deve ser evitado. Antes de discutir uma solução para essas aplicações mais restritivas, é necessário um pouco de experiência em detecção de toque.

De acordo com um relatório de mercado recente, há uma necessidade crescente de detecção de toque [1]. O relatório projeta que o mercado global de sensores de toque atingirá aproximadamente US$ 8,4 bilhões até 2023, crescendo a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 12,8% durante o período de previsão 2018-2023. As tecnologias típicas de detecção de toque incluem: onda acústica de superfície resistiva, capacitiva (SAW), infravermelho (IR), imagem óptica e, mais recentemente, reconhecimento de pulso acústico (APR). Na sua implementação mais comum, todas estas abordagens requerem contacto real com a superfície. No entanto, existem aplicações que não desejam ou devem evitar o contato físico e necessitam de uma abordagem de detecção mais sofisticada.

Uma possibilidade seria usar uma tecnologia de tempo de voo para identificar interações no ar acima de uma tela sensível ao toque [2]. O tempo de voo é uma técnica de medição que calcula a distância entre o sensor e um objeto medindo o tempo que a luz leva para viajar até um objeto e voltar ao sensor. A precisão é da ordem de 1 cm, o que o torna inadequado para fins de interação por toque. Melhorar a precisão geralmente significaria uma taxa de quadros mais lenta. Além disso, este tipo de sensor requer calibração e é sensível a mudanças de temperatura.

Outra alternativa é a tecnologia infravermelha. O toque infravermelho tradicional requer uma moldura ao redor da tela com emissores em dois lados adjacentes e receptores em lados opostos. A área interativa de toque é elevada a partir da tela simplesmente levantando a moldura ao redor da tela. No entanto, o rebordo resultante à volta do ecrã não só seria difícil de incorporar esteticamente num dispositivo, como também tornaria o ecrã difícil de limpar, anulando assim um dos objectivos da sua utilização.

O toque infravermelho pode ser implementado usando tecnologia reflexiva montando um sensor ao longo de uma borda da tela. A área de interação consiste em uma folha de luz que é projetada para fora do sensor e posicionada a uma distância desejada acima da superfície da tela, conforme mostrado na figura.figura 1.

Figura 1. Um sensor de toque IR usando tecnologia reflexiva tem a área de interação elevada acima da tela.

O sensor de toque infravermelho consiste em um conjunto de emissores e receptores alternados, conforme mostrado naFigura 2 . Os emissores de laser são preferidos aos LEDs, pois são mais fáceis de colimar e geram menos luz difusa interna dentro do módulo do sensor. Qualquer luz difusa interna precisa ser reduzida ao mínimo para que não interfira com a luz geradora de sinal refletida de um objeto fora do detector. Lasers emissores de superfície de cavidade vertical (VCSELs) operando a 945 nm são usados ​​como emissores e fotodiodos de silício são usados ​​como receptores. Lentes moldadas de policarbonato são usadas para colimar a luz dos emissores e estreitar o campo de visão dos receptores.

Figura 2. O diagrama de blocos elétricos de um sensor de toque com tecnologia reflexiva mostra os emissores de laser e os receptores de fotodiodo alternados.

O uso de óptica compartilhada para emissores e receptores força o campo de visão do receptor a formar um ângulo em direção à direção da luz emitida, conforme mostrado emFigura 3 (a) . Este ângulo normalmente varia entre 17 e 26 graus dependendo da proporção da área de detecção do sensor.

Figura 3. (a) O emissor e o receptor compartilham parte da mesma óptica, forçando o campo de visão do receptor a formar um ângulo em direção à luz emitida. (b) Cada receptor observa múltiplos feixes emissores. A parte central de cada área de sobreposição entre um feixe de saída e o campo de visão do receptor é marcada com um círculo preenchido.