一種四線式紅外光學觸摸屏技術的研究

西南石油大學 劉峻宏 崔唐杰成都樹德中學 黃明泉

一種四線式紅外光學觸摸屏技術的研究

西南石油大學 劉峻宏 崔唐杰
成都樹德中學 黃明泉

本項目是對傳統電阻式觸摸屏的改造，形成一種新的人機交互方式，利用紅外感光材料的電阻特性，紅外線照射下，電阻急劇下降，形成導通電路，使兩層被其隔開的ITO涂層連通，通過輸出電壓情況，計算出坐標，從而實現定位。

觸摸屏；紅外；感光

21世紀是科技飛速發展，觸摸屏已覆蓋各種科技產品，手機、電腦、電視都在向觸控方向發展。現有的觸摸屏主要有以下三類：首先即是電阻式觸摸屏，曾經第一代只能手機應用最為廣泛的技術，由兩層ITO中間形成空隙，在壓力作用下形變接觸，實現電路導通，由于經常受壓形變，因此若ITO涂層太薄則容易脆斷，而涂層太厚，又會降低透光性并且形成內反射降低屏幕清晰度。由于經常被觸動，表層的ITO使用一定時間后會出現大量細小裂紋，甚至脫落，因此其壽命并不長久。第二種是電容式觸摸屏，現在普遍應用中的屏幕，相比電阻式觸摸屏，靈敏度和準確性都大為提升。但是電容隨溫度、濕度或接地情況的不同而變化，其穩定性不是很好，容易產生漂移現象。最后一種是紅外線框式觸摸屏,設備投入高，價格貴，不利于推廣。本文介紹的四線式紅外光學觸摸屏是對電阻式觸摸屏的改進和創新，克服了被觸動多導致變形的問題。

四線式紅外光學觸摸屏的結構如下圖所示，在一層透明的PET薄膜上均勻等厚的覆蓋有兩層透明、導電的ITO層，如圖上層作為Y 電極，下層作為X 電極，它們之間完全由均勻、透明的紅外感光半導材料隔開。其中上層（即Y 電極層）ITO上方也附著著一層PET薄膜（圖中未畫出）。X電極和Y電極的正負端由“導電條”（圖中黑色條形部分）分別從兩端引出，且X電極和Y電極導電條的位置相互垂直。引出端Y-，Y+，X-，X+，一共四條線。當觸摸屏表面受到紅外光照時，兩層ITO導電層之間半導體材料電阻迅速減小將兩層連通，四線式紅外光學觸摸屏的電路結構可以等效為相應的電路，如圖1所示。

圖1

計算光照點的X,Y坐標分為如下兩步：

（1）計算Y坐標，在Y+電極施加驅動電壓Vdrive，將Y-電極接地，用X+作為引出端測量得到光照點的電壓，由于ITO層均勻導電，電阻模擬為線性分布，光照點電壓與驅動電壓電壓之比等于光照點Y坐標與屏幕高度之比。

（2）計算X坐標，在X+電極施加驅動電壓Vdrive，將X-電極接地，用Y+作為引出端測量得到光照點的電壓，由于ITO層均勻導電，電阻模擬為線性分布，光照點電壓與驅動電壓電壓之比等于光照點X坐標與屏幕寬度之比。

以上方法測得的電壓通常由ADC轉化為數字信號，再進行簡單處理就可以做為坐標判斷光照點的實際位置。

如上介紹，四線式紅外光學觸摸屏的原理比較簡單。項目組在實驗室實驗過程中，主要做了以下研究。

首先設計ITO-PET，由于PET膜在試驗中不易儲存和運輸，因此，我們選擇玻璃基片來做實驗。通過磁控濺射，將ITO以薄膜的形式度到30mm*50mm的玻璃基片上，測得長端電阻1.6千歐。

再利用化學沉積法，用硫脲，氫氧化鈉，硝酸鉛按照一定濃度配比，在堿性環境下，將已鍍上ITO的玻璃基片放入水浴鍋中25度恒溫沉積，30min后，成功制取硫化鉛薄膜。測得電阻約1.9千歐。

本設計選用硫化鉛（PbS）作為紅外光敏材料，。PbS的重要性質是在近紅外波段具有光敏性。硫化鉛的能帶間隙為0.41eV，工作波長在1-3μm的近紅外區，在2.1μm的敏感度最大 。

很多早期的實驗均證明，不經處理的硫化鉛，其光電導響應很弱，電阻變化不明顯，其電阻變化在驅動電壓加載下，幾乎并不能使兩層ITO導通。只有經過敏化，才能獲得高靈敏度的硫化鉛器件。一般來說，用氧氣敏化的方法有很多種，這里介紹兩種方式：第一種是在真空蒸發純硫化鉛材料過程中通氧，或者將硫化鉛膜在氧氣或者大氣中高溫氧化來達到敏化的目的。第二種是化學沉淀法，一般是將氧化劑加入沉淀溶液，以便較準確地控制氧化量，但也可以在沉淀后加溫氧化。

這里采取對硫化鉛薄膜進行高溫敏化處理，高溫熱處理對PbS器件的電阻率、感光性能等有很大影響。實驗證明，要想提高PbS的紅外光敏性，必須提高熱處理溫度，但PbS的熔點為1114℃，在較高溫度下就開始揮發。所以，必須嚴格控制溫度，不能太高，否則由于PbS的揮發，而影響PbS器件的敏化性能。因此，熱處理溫度應該在500℃左右。

在熱處理前先將PbS在80℃的烘箱中烘干1h；熱處理方法是：保持一定的熱處理溫度，在空氣中恒溫熱處理1h。經敏化處理后的PbS材料即可成為本設計中的紅外光敏材料。

注：國家大學生創新創業訓練項目——四線式紅外光學觸摸膜技術（項目號：20148615029）。