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

潘威 董蜀峰

摘要：如何在減少對(duì)手機(jī)結(jié)構(gòu)空間尺寸的影響，同時(shí)具有良好的用戶體驗(yàn)和容易實(shí)現(xiàn)的工藝制程情況下實(shí)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(dǎo)體透明導(dǎo)電膜（lTO）導(dǎo)電和高透光特性制作傳感器組件，1TO電路圖案設(shè)計(jì)多樣性，制造成本較低，制備過程易控。為了使手機(jī)觸控面板各個(gè)部位在同等壓力下產(chǎn)生的電容量相等，設(shè)計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)和增益補(bǔ)償，提升sensor整面模擬信號(hào)的一致性。制程需要的材料常見，工廠的制程難度相對(duì)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(zhǔn)和增益

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

O 引言

智慧手機(jī)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(jiǎn)稱2D）的日漸完善，消費(fèi)者已經(jīng)不滿足簡(jiǎn)單的XY軸平面內(nèi)操作，手機(jī)廠商開始追求開發(fā)觸控的進(jìn)一步方式，Z軸方向觸控（以下簡(jiǎn)稱3D）漸漸在一些高端手機(jī)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(dá)體驗(yàn)度更高），為消費(fèi)者使用日漸復(fù)雜的APP增加了迅捷簡(jiǎn)單的操控模式和帶來更好的游戲體驗(yàn)，目前市場(chǎng)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(cè)的變量直接來源于按壓部位的形變量，對(duì)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(shí)現(xiàn)，而良好的平整度主要依賴于該機(jī)器精細(xì)的A殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)殼料加工廠的要求比較嚴(yán)格，不利于模組走向標(biāo)準(zhǔn)化和成本優(yōu)化，而3D sensor背光后置的模式因?yàn)樾巫兞枯^少而要求較多的精細(xì)控制和更為復(fù)雜的算法，對(duì)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(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 主要功能設(shè)計(jì)

平板類電容值變化主要由三個(gè)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(jì)算公式：

此時(shí)C和△d近似線性關(guān)系。do較小時(shí)，對(duì)于同樣的△d變化引起的△C值變化相對(duì)增大（如上坐標(biāo)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(jì)。而這次設(shè)計(jì)的工作原理，簡(jiǎn)單解釋便是控制芯片驅(qū)動(dòng)Tx為每一條對(duì)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(hào)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(hào)反饋給主板的主控芯片做進(jìn)一步處理。

在氧化物導(dǎo)電膜中，以摻Sn的ln203（1TO）薄膜的透過率最高，導(dǎo)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(xì)的圖形，適用于光學(xué)器件感應(yīng)片的制作。圖1是設(shè)計(jì)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(chǎng)從而改變觸摸所在節(jié)點(diǎn)的寄生電容電荷量產(chǎn)生△C作為觸發(fā)機(jī)制，為了在每個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)和線寬線距其Pitch值需要設(shè)計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)的走線布局相同，每個(gè)通道的RX保持一致的在地電勢(shì)，旨在獲取一樣的基準(zhǔn)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(jī)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(hù)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(huì)有差異，我們先選定15個(gè)測(cè)試點(diǎn)作為后續(xù)驗(yàn)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(diǎn)的形變量△d和施加的壓力成正比f(wàn)=K.△d（K是勁度系數(shù)），由前面的計(jì)算可以知道壓力f和節(jié)點(diǎn)電容量C也可認(rèn)為線性關(guān)系。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)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(diǎn)的勁度系數(shù)大于第1點(diǎn)的勁度系數(shù)。

我們默認(rèn)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(diǎn)的電容量相等。

即C1=C2=C3="'=C13=C14=C15，隨機(jī)取2點(diǎn)，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(jì)正是根據(jù)這個(gè)原理對(duì)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(jì)的原理便是根據(jù)上述描述的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)最大電容量通常為20～100 pF，通過仿真計(jì)算，將15個(gè)點(diǎn)在相等受力嚇的形變量和移動(dòng)的單極面積按照豎條比例表示（圖4）。

有了節(jié)點(diǎn)部位和電容單極面積的關(guān)系比例，再結(jié)合機(jī)器個(gè)別結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特征點(diǎn)（影響邊緣勁度系數(shù)），圖5（b）是設(shè)計(jì)的3D sensor設(shè)計(jì)圖案，形變量偏小的部位如1、3、10、12，sensor設(shè)計(jì)的線寬線距相對(duì)密集，形變小致使Ad相對(duì)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(zhǔn)。

2 工藝制程

工序制程總共分為三個(gè)步驟。首先是sensor圖案制作，設(shè)計(jì)考慮到尺寸優(yōu)化，sensor組件的厚度約為0.045 mm，透光率達(dá)到94%以上，不影響整個(gè)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(xué)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(fù)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(dāng)?shù)南肮ば?，可以除去圖案帶來的可視紋路，最大限度的減小對(duì)液晶顯示的影響。

同時(shí)在FPCB的設(shè)計(jì)過程中，3D驅(qū)動(dòng)IC和2D驅(qū)動(dòng)為同一顆芯片IC，將2D和3D的信號(hào)作為差分信號(hào)傳輸，大大減少信號(hào)串?dāng)_。其中信號(hào)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(hào)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(jì)使用3層FPCB。

第二步是OLB和貼合，2D和3D的驅(qū)動(dòng)lC共用一顆，所以O(shè)LB流程相對(duì)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(shì)。采用的菲林膜自帶OCA，無(wú)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(jìn)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(hù)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(zhǔn)測(cè)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(yù)先代碼校準(zhǔn)補(bǔ)償作業(yè)，使各個(gè)部位的數(shù)字基準(zhǔn)值達(dá)到一致，和LCM的OTP燒錄工序相似。

3 結(jié)論

組裝成整機(jī)之后，用4）7 mm的銅柱對(duì)15個(gè)部位施加400 g和800 g大小的壓力如圖8所示，測(cè)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(bǔ)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?？紤]到玻璃的承受力和普通用戶的使用習(xí)慣，本次設(shè)計(jì)3D的感應(yīng)壓力范圍為100～1000 g。到此，設(shè)計(jì)基本達(dá)到預(yù)期值，由于樣品皆在實(shí)驗(yàn)中完成，少量sensor樣品的制作由于無(wú)法大量生產(chǎn)，使用的設(shè)備多屬于半自動(dòng)制動(dòng)、精度和靈敏度有望進(jìn)一步提升。

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