變極距型電容式傳感器在壓力觸控技術(shù)的設(shè)計和應(yīng)用

潘威 董蜀峰

摘要：如何在減少對手機結(jié)構(gòu)空間尺寸的影響，同時具有良好的用戶體驗和容易實現(xiàn)的工藝制程情況下實現(xiàn)壓力感應(yīng)技術(shù)，集成式的sensor組件是目前最佳的選擇。利用銦錫氧化物半導體透明導電膜（lTO）導電和高透光特性制作傳感器組件，1TO電路圖案設(shè)計多樣性，制造成本較低，制備過程易控。為了使手機觸控面板各個部位在同等壓力下產(chǎn)生的電容量相等，設(shè)計了自適應(yīng)變極距電容傳感器的sensor lTO電路組件，再與LCM的下偏光片貼合或者集成在下偏光基材上面，保證了基板的平整度，壓力產(chǎn)生穩(wěn)定的形變量。每個節(jié)點的變極距電容傳感器的單極面積根據(jù)結(jié)構(gòu)按照勁度系數(shù)調(diào)整集成在面板中，結(jié)合控制芯片初始化代碼的校準和增益補償，提升sensor整面模擬信號的一致性。制程需要的材料常見，工廠的制程難度相對于普通CTP的偏低，易生產(chǎn)，利于技術(shù)的推廣。

關(guān)鍵詞：ITO；極距電容傳感器；物理變量；圖案變量；校準和增益

DOI： 10.3969/j.issn.1 005-5517.2018.8.011

O 引言

智慧手機在十年內(nèi)完成了普及和觸摸屏的發(fā)明，這和發(fā)展有很大的關(guān)聯(lián)。隨著平面觸控技術(shù)（下面簡稱2D）的日漸完善，消費者已經(jīng)不滿足簡單的XY軸平面內(nèi)操作，手機廠商開始追求開發(fā)觸控的進一步方式，Z軸方向觸控（以下簡稱3D）漸漸在一些高端手機上被使用，3D壓力觸控主要是快速查詢菜單和手游體感操作的技術(shù)（配合線性馬達體驗度更高），為消費者使用日漸復雜的APP增加了迅捷簡單的操控模式和帶來更好的游戲體驗，目前市場上大部分的3D壓力觸控技術(shù)屬于傳統(tǒng)的外掛式，由于3D壓力感應(yīng)的sensor檢測的變量直接來源于按壓部位的形變量，對sensor的基板的平整度要求極高，為了不影響LCM成像的亮度和清晰度，傳統(tǒng)的3D壓力sensor片選擇安裝在背光后面，再結(jié)合A殼支柱精密支撐實現(xiàn)，而良好的平整度主要依賴于該機器精細的A殼結(jié)構(gòu)設(shè)計，對殼料加工廠的要求比較嚴格，不利于模組走向標準化和成本優(yōu)化，而3D sensor背光后置的模式因為形變量較少而要求較多的精細控制和更為復雜的算法，對3D壓力觸控技術(shù)的效果和普及產(chǎn)生不小的阻礙。下面將著重介紹3D壓力的sensor片和TFT-LCD模組集成為一體技術(shù)的設(shè)計和實現(xiàn)。

1 主要功能設(shè)計

平板類電容值變化主要由三個要素決定：介質(zhì)的介電常數(shù)，平板面積和極距。電容傳感器可分為三類：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型。這里我們討論變極距型電容式傳感器。電容量（capacitance）計算公式：

此時C和△d近似線性關(guān)系。do較小時，對于同樣的△d變化引起的△C值變化相對增大（如上坐標圖所示，△Cl>△C2）。從而使傳感器獲取較高的靈敏度，適合應(yīng)用在微組件的sensor設(shè)計。而這次設(shè)計的工作原理，簡單解釋便是控制芯片驅(qū)動Tx為每一條對應(yīng)ITO通道充滿電荷，使用者手指壓力改變ITO制作成的單極板極距△d，在按壓的sensor產(chǎn)生電容量模擬信號的變化△C，然后通過控制芯片的接受通道Rx在該控制芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號反饋給主板的主控芯片做進一步處理。

在氧化物導電膜中，以摻Sn的ln203（1TO）薄膜的透過率最高，導電性能最好，并且很容易在酸溶液中將透明電極腐蝕出微細的圖形，適用于光學器件感應(yīng)片的制作。圖1是設(shè)計中的3DITO sensor集成結(jié)構(gòu)示意圖。

3D壓力感應(yīng)區(qū)別于2D觸摸功能，平面觸控原理是人體手指接觸觸摸屏的表面磁場從而改變觸摸所在節(jié)點的寄生電容電荷量產(chǎn)生△C作為觸發(fā)機制，為了在每個部位獲取相等的磁通量，2D觸控的sensor圖案要在AA區(qū)均勻的分布，每個節(jié)點和線寬線距其Pitch值需要設(shè)計成一致。圖3（a）是2D觸控的感應(yīng)器電路圖案，圖案關(guān)乎各個節(jié)點的走線布局相同，每個通道的RX保持一致的在地電勢，旨在獲取一樣的基準值（baseline value）。

3D則是通過更改所按壓位置的等效變極距型電容傳感器的單極極距產(chǎn)生△d作為變量機制。顯示面板利用雙面透明固態(tài)膠OCA貼合在觸控面板的CG（CTP保護蓋板）反面，再由CG和A殼用積水液態(tài)膠或者雙面膠粘合成一體，然玻璃表面的張力因位置不同而不相等，同樣大小的壓力加在不同的部位，所獲取的△d會有差異，我們先選定15個測試點作為后續(xù)驗證使用（如圖2）。

根據(jù)胡克定律，固體材料受力之后，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變（單位變形量）之間成線性關(guān)系。單點的形變量△d和施加的壓力成正比f=K.△d（K是勁度系數(shù)），由前面的計算可以知道壓力f和節(jié)點電容量C也可認為線性關(guān)系。因為節(jié)點之間的勁度系數(shù)Kx（ x=l，2，3---15）并不相同，勁度系數(shù)和離邊緣的距離成反比，如第8點的勁度系數(shù)大于第1點的勁度系數(shù)。

我們默認施加在屏幕上的壓力相等，即

fl=f2=f3...=f13=f14=f15，現(xiàn)要求施加相等的壓力，節(jié)點的電容量相等。

即C1=C2=C3="'=C13=C14=C15，隨機取2點，如要求Cl= C8，則（

），在同等力的情況下，K8>Kl，則△d1<△d8，為了滿足Cl= C8，則先要滿足S1>S8。而3D sensor設(shè)計正是根據(jù)這個原理對不同部位的平板單極的面積做出不一樣的調(diào)整，單極面積和離邊緣的距離成反比。

那么設(shè)計的原理便是根據(jù)上述描述的節(jié)點電容傳感器的單極面積S從中間到邊緣的逐漸增大，最終輸出相同的模擬量（即電容變化差值）。節(jié)點最大電容量通常為20～100 pF，通過仿真計算，將15個點在相等受力嚇的形變量和移動的單極面積按照豎條比例表示（圖4）。

有了節(jié)點部位和電容單極面積的關(guān)系比例，再結(jié)合機器個別結(jié)構(gòu)設(shè)計的特征點（影響邊緣勁度系數(shù)），圖5（b）是設(shè)計的3D sensor設(shè)計圖案，形變量偏小的部位如1、3、10、12，sensor設(shè)計的線寬線距相對密集，形變小致使Ad相對偏低，增大TX和RX的電容平板面積S，即可獲取最大的額定電容值，成大小一致的基準。

2 工藝制程

工序制程總共分為三個步驟。首先是sensor圖案制作，設(shè)計考慮到尺寸優(yōu)化，sensor組件的厚度約為0.045 mm，透光率達到94%以上，不影響整個模組的厚度和顯示效果。圖案需要兩道光照MASK，經(jīng)過CVD旋涂光學膠和PR蝕刻工序等制程工藝得到TX和RX的每條通道的ITO電路，利用物理形變產(chǎn)生的模擬量可以適應(yīng)比較復雜的背光光源照射而不受影響。圖案蝕刻和干凈作業(yè)完成，配合適當?shù)南肮ば颍梢猿D案帶來的可視紋路，最大限度的減小對液晶顯示的影響。

同時在FPCB的設(shè)計過程中，3D驅(qū)動IC和2D驅(qū)動為同一顆芯片IC，將2D和3D的信號作為差分信號傳輸，大大減少信號串擾。其中信號線總共包含4組，兩組是平面觸摸部分的TX，平面觸摸部分的RX，另外兩組則是壓力感應(yīng)部分的TX和RX，考慮到2D和3D的信號鋪銅走線存在并行或交集，通訊設(shè)備空間狹小layout區(qū)域不足，設(shè)計使用3層FPCB。

第二步是OLB和貼合，2D和3D的驅(qū)動lC共用一顆，所以O(shè)LB流程相對易控，bonding部分的金手指pitch較之2D寬，設(shè)備的要求和管控成本具備優(yōu)勢。采用的菲林膜自帶OCA，無需再額外使用固態(tài)膠，經(jīng)過設(shè)備的貼合作業(yè)，然后放進真空腔儀器焗氣泡，3Dsensor的下表面將和背光的增亮膜接觸，保護該sensor的PET薄膜使用靜電吸附較弱的材質(zhì)。圖5是OLB和貼合后的成品模組。

一二兩步形成成品module，第三步則是校準測試電氣功能，由于ITO膜厚和蝕刻工藝的自然公差，單體貼合成型的sensor的阻抗靈敏度等電氣因素難以完全一致，在程序端需要預先代碼校準補償作業(yè)，使各個部位的數(shù)字基準值達到一致，和LCM的OTP燒錄工序相似。

3 結(jié)論

組裝成整機之后，用4）7 mm的銅柱對15個部位施加400 g和800 g大小的壓力如圖8所示，測試結(jié)果如表1所示，最大感應(yīng)量和最小感應(yīng)量誤差分別是23.3%和18%。后期通過初始化代碼補償，用通道增益的方式將感應(yīng)電容偏小或者偏大的調(diào)整至一致。考慮到玻璃的承受力和普通用戶的使用習慣，本次設(shè)計3D的感應(yīng)壓力范圍為100～1000 g。到此，設(shè)計基本達到預期值，由于樣品皆在實驗中完成，少量sensor樣品的制作由于無法大量生產(chǎn)，使用的設(shè)備多屬于半自動制動、精度和靈敏度有望進一步提升。

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