Oncell觸控技術在車載中的應用

陳 烜，葉家聰

(深圳天馬微電子股份有限公司 研發中心，廣東 深圳 518118)

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Oncell觸控技術在車載中的應用

陳 烜，葉家聰

(深圳天馬微電子股份有限公司 研發中心，廣東 深圳 518118)

Oncell觸摸技術將觸摸感應膜層集合于液晶顯示面板上,相較于常規的雙層技術方案，具有更輕薄化，透過率更高，制程更優的特點。本文將單層多點電容方案、復合蓋板、防反射、防指紋涂層、全貼合等新技術用在了Oncell上。研究了在車載復雜狀況下的使用,可匹配不同的液晶顯示驅動技術。經過試驗測試，最新開發的Oncell觸控技術，可以支持3點以上觸控，支持戴手套操作，通過頭部撞擊試驗，其表面反射率低于3%，線性度為±1.5 mm，最新開發的Oncell觸控技術關鍵技術問題得到了解決，經過測試，可以滿足車載產品苛刻的要求。今后Oncell觸摸技術也必將會成為車載觸控領域重要的技術方案。

Oncell；車載；觸控技術；全貼合；頭部撞擊；電容觸摸屏

1 引 言

在消費類電子領域，電容屏觸摸(CTP)技術已成為手機、平板電腦等市場主流[1]。隨著汽車互聯網，智能汽車的迅速發展使得人們對于汽車產品的人機交互提出了更高的要求，特別是觸控技術，但在車載應用上，目前還是以電阻屏技術方案為主，但由于電容屏相比電阻屏，具有光學透析度好、外觀簡潔漂亮、觸摸操作簡單方便，壽命長等方面的優勢，國際上一些大的汽車廠商，如通用、克萊斯勒、奔馳、寶馬等，已開始將電容屏研發導入到車載應用上?？梢灶A見，未來電容屏技術在車載產品上的應用勢必會越來越廣[2]。目前，電容屏觸摸技術發展迅速，尤其是Oncell觸摸技術。Oncell觸摸技術是電容屏觸摸技術的一種新型技術方案，其將觸摸感應膜層集合于液晶顯示面板上，相較于常規的COVER+SENSOR雙層技術方案，具有更輕薄化，透析度更高，制程更優化，成本更有優勢等特點。國際上，三星已將Oncell廣泛應用于其熱賣的智能手機Galaxy S/ Note系列,其它面板大廠像群創、華映、和鑫光電、彩晶等也積極跟進，紛紛切入Oncell且已量產。據NPD DisplaySearch預估，2014年Oncell觸控面板出貨量將達2.65×108片、年增率上看37%。2015年其市場占有率將達到15%左右。未來3～5 年內，Oncell將會發展為電容屏觸摸主流技術方案。在車載應用上，有著特殊的技術要求，如需要帶手套操作，需要通過頭部撞擊試驗[3]；更嚴格的光學指標要求，如反射率，透過率要求更高；更高的可靠性要求，如工作溫度要求-40～90 ℃。開發可應用于車載產品的Oncell觸摸技術，解決Oncell觸控顯示的很多關鍵技術問題，使其滿足車載產品苛刻的要求，可以實現Oncell觸摸技術在車載上的快速應用?？梢愿玫貪M足汽車互聯網和智能汽車對于人機交互的需求，今后Oncell觸摸技術也必將會成為車載觸控領域重要的技術方案。

2 Oncell的結構及其工作原理

2.1 Oncell觸控屏的結構

圖1 Oncell剖面圖Fig.1 Oncell section drawing

觸摸感應層由一層ITO Sensor組成，生產流程是先制作好TFT-LCD，圖1所示，包括TN模式的TFT和IPS模式的TFT[4-5]，TFT玻璃基板厚度為0.3 mm，彩色濾光片(CF)的厚度也是0.3 mm。再在彩色濾光片濺射一層ITO層，之后經過黃光制程制作驅動電極，感應電極和走線電極。在SENSOR的上面再用OCA或OCR膠水貼合蓋板玻璃(Cover Glass)。見圖1為Oncell剖面圖。為了滿足車載頭部撞擊測試，蓋板玻璃改用了亞克力(PMMA)和PC(聚碳酸酯)復合材質的蓋板。

圖2為Sensor的走線示意圖，單層多點Oncell[6-9]的走線在一層ITO上集成了發射電極和接收電極，發射電極和接收電極之間會形成一個固有的電容值。走線電極(Trace Line)可為懸空電極。

圖2 Sensor走線和互電容Fig.2 Sensor trace and mutual capacity

2.2 Oncell觸摸屏的工作原理

2.2.1 單層ITO電容屏工作原理

利用人體電場,當手指接近觸摸屏表面時，手指與Tx和Rx構成一個電容，這樣該觸摸位置的電容值就會發生改變。由于只有單層的ITO走線，實際掃描電容值時僅掃描互電容值的變化。

如圖3，根據電容的變化，經過復雜的運算[10-11],可檢測出手指觸摸點的位置。

圖3 單層ITO電容屏工作原理Fig.3 Single ITO capacitor TP schematic

2.2.2 電容值變化的轉換

對于IC來說是沒有辦法直接檢測電容值和其變化的，這就需要將其轉換為電阻的變化。

如圖4，當S1閉合S2斷開時有電流從A進入電容C充電；當S1斷開S2閉合式，電容C進過B放電，S1和S2開關由時鐘電路控制，周而復始地工作。經過開關電容的充電電流i=C×dV/dt；一個周期內的電壓變化ΔV=ig×Δt/C；開關頻率f=1/Δt；這樣A和B兩端的等效電阻為：

(1)

這樣電容的變化就轉換成了電阻值的變化。

圖4 測量感應電容原理Fig.4 Schematic of capacity test

3 Oncell在車載應用上的技術

在車載應用上，有著特殊的技術要求，如需要帶手套操作，需要通過頭部撞擊試驗；更嚴格的光學指標要求，如反射率、透過率要求更高；更高的可靠性要求，如工作溫度要求-40～90 ℃。為了滿足這些需求必須采用特殊的技術。

3.1 帶手套觸控

對于車載產品關于戴手套觸摸的特性，通過比較不同材質和厚度的手套分析，例如羊毛、皮革、纖維或者尼龍，發現不同材質不同厚度手套對于觸控的靈敏度有很大的影響，帶手套操作時信號強度會衰減，若僅靠互電容模式驅動的方式能有效地支持1.0 mm厚度纖維或皮革材質的手套，對于2.0 mm以上的皮革材質手套還無法支持，如圖5為不同材質，厚度手套對于觸控性能的影響。增加強度后可能放寬對于手套厚度的要求，但會出現亂報點不良。

圖5 不同手套信號強度對比Fig.5 Different glove vs signal

3.2 頭部撞擊試驗

車載產品對于頭部沖擊要求見圖6，當汽車發生碰撞事故時，駕駛員或副駕駛員頭部可能會撞擊到觸摸屏的表面。

圖6 頭部撞擊測試圖示Fig.6 Head impact test

基于車載產品對于頭部沖擊要求，實際研究先從蓋板材質、厚度以及結構，分析其是否能起到保護作用，分析產品實際判定標準以及車載電阻屏解決思路，從而提出采用玻璃表面貼附膜材或偏光片，既起到防爆作用，又能改善光學效果的方案。如果客戶對外觀結構有3D立體的要求，可提供PMMA加PC復合板方案。實現立體形狀的蓋板匹配汽車結構需求，并提供觸控功能。PMMA加PC復合板可以在CTP屏被撞擊破損后保障沒有鋒利的玻璃濺出傷人。

3.3 光學指標提升

3.3.1 全貼合替代普通貼合

普通的CTP采用口字膠貼合，這樣貼合的操作簡單，價格便宜，但由于CTP和LCD中間為空氣層，這樣在光線通過CTP和LCD時會在界面發生反射和折射現象，造成整體的背景發白，嚴重影響了LCD的對比度。特別對于汽車產品其要求背景色要足夠黑。為了解決這個問題我們采用了光線貼合硬膠或光線貼合的水膠來貼合CTP和LCD，用這兩種膠水來都叫全貼合。如圖6是口字膠框貼和OCA(光學透明膠帶)/OCR(光學透明樹脂)全貼合的效果對比。圖中可以看到，全貼合的LCD明顯比框貼合的底色要黑得多。

圖6 全貼合與口字膠貼合效果對比Fig.6 Air bonding VS optical bonding

3.3.2 AR(抗反射)+AF(防指紋)設計方案

普通的CTP蓋板的反射率在4%左右，但對于汽車產品，這樣的反射率是無法接受的。如當外界光線照射到屏表面并可能反射到人眼，這樣就會出現安全隱患，且更高的反射率會降低LCD的顯示性能，會出現駕駛員無法識別出顯示信息的問題。

抗反射膜,也稱為增透膜、減反射膜、低反射膜。抗反射膜是在光學元件(如透鏡、CG等)上鍍制一層或是多層膜，利用薄膜的干涉相消來減少反射光。減反膜的原理如圖7。其中n0是空氣的折射率，n1為減反膜的折射率，ng為cover玻璃的折射率。當膜層折射率滿足如下兩個條件，反射率為零，實現減反射效果。

(2)

(3)

另外，人手會出汗或有油污，若蓋板表面不做處理，多次使用CTP后就會有沾污殘留，并影響顯示效果。這樣需在蓋板表面增加AF(防指紋)膜，這樣蓋板上不容易殘留沾污。

圖7 減反膜減反原理Fig.7 How AR film work

3.4 多點觸控實現

圖8為實現4點觸控的示意圖。圖中可見驅動和感應單元之間形成邊緣電容，而行列交叉重疊處會產生耦合電容，所以只要檢測這兩個電容的容值變化就可以實現多點觸控。

圖8 多點觸控實現Fig.8 Multi-touch

3.5 ESD和EMS性能提升

車載產品對于ESD，EMS的要求相對較高，ESD一般要求通過空氣放電±15 kV，接觸放電±8 kV，EMS要求通過IR01和IR05的測試。經過結構整改，增加EMI濾波電路，增加屏蔽措施，增加磁環等，最終測試結果可以通過汽車產品的要求。圖9為4.2 in(1 in=2.54 cm) Oncell實際的測試結果。

測試項目測試條件測試模式測試頻率范圍測試結果結果判定IR0128401NOS02＿5/IR01＿200V/MCW200MHz～2GHzAPASSAM200MHz～800MHzAPASSPM800MHz～2GHzAPASSIR0612W(level1)10W(level2)12W(level1)10W(level2)CWPM223MHz～510MHzBPASS735MHz～835MHzBPASS223MHz～510MHzBPASS735MHz～835MHzBPASSESDARCD+/-15kV-APASS+/-15kV-APASS+/-8kV-APASS+/-8kV-APASS

圖9 ESD和EMI測試結果
Fig.9 Test result of ESD and EMI

4 結 論

車載觸摸面板有特殊的技術要求，如可戴著手套輸入、防反射、防指紋等性能及高可靠性、高穩定性及安全性要求。Oncell觸控技術在觸摸感應膜層圖案設計、Oncell全貼合設計、關鍵材料等方面取得了突破，解決了符合車載級應用的Oncell觸摸顯示的技術問題。Oncell觸控產品可以支持3點以上觸控，支持戴手套操作，通過頭部撞擊試驗，其表面反射率低于3%，線性度為±1.5 mm，最新開發的Oncell觸控技術經過測試，可以滿足車載產品苛刻的要求。為Oncell觸摸技術在車載觸控領域的推廣提供了可能。

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Oncell touch panel technology in automotive

CHEN Xuan, YE Jia-cong

(TianmaMicro-electronicsCo.,LTD. ,Shenzhen518118,China)

Oncell touch panel technology is a new technology of touch panel which touch sensor is integrated on the surface of LCD.Compared with outcell touch panel,oncell touch panel is thinner,lighter and easier to produce.New technology, such as single layer multi-touch capacitor touch panel，PMMA+PC cover， AR，AF film and optical bonding etc. are used in Oncell touch panel. Oncell touch panel can match different LCD driving method.Oncell touch panel can run regularly in rugged environment such as complex electromagnetic environment,strong sunlight,high and low temperature.Finally,the new technology of Oncell touch panel can support up than 3 point touch,glove touch and head impacted test.The surface reflectance is lower than 3%, and linearity is ±1.5 mm.The Oncell touch panel solved the key technical problems and can pass the automotive test.Thus Oncell touch technology will be the most important technology of automotive.

Oncell; automotive; touch technology; all joint; head impact；CTP

王永青(1988-)，女，河北石家莊人，碩士，工程師，主要從事混合液晶材料的研究與開發。E-mail：yqwang@163.com

2014-10-15；

2014-11-06.

深圳市新一代專業顯示技術工程實驗建設項目(深發改[2014]1823號)；薄膜晶體管(TFT)關鍵技術研究及產業化開發(深科技創新(2014)96號)；新型顯示平用高端TFT-LCD顯示模組的產業化(深發改(2014)722號)

1007-2780(2015)03-0410-06

TP394.1；TH691.9

A

10.3788/YJYXS20153003.0410

*通信聯系人，E-mail：xuan_chen@tianma.cn