基于人體胸前顯示的特種觸摸顯示器設(shè)計(jì)

桂詩(shī)信 孫 勇 王 杰 徐業(yè)飛

（中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

軍用特種穿戴顯示器所處的工作環(huán)境溫度較高、紫外線輻射強(qiáng)，易使人體感到不適，甚至?xí)斐善つw病變；如何將熱源屏蔽在觸摸穿戴顯示器外部，不因熱源與太陽(yáng)輻射進(jìn)入顯示器內(nèi)部而導(dǎo)致溫度上升是重要的研究課題。雖然已有將隔熱紙貼覆于玻璃外表面的解決方案，但是隔熱紙的粘貼品質(zhì)取決于工藝手法，其品質(zhì)不易掌控。同時(shí)，使用時(shí)間過長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致隔熱紙出現(xiàn)破損或內(nèi)部產(chǎn)生氣泡等缺陷。

眾所周知，傳統(tǒng)電容觸摸屏一般只包括蓋板玻璃、Sensor功能層，這類電容式觸摸屏內(nèi)部都不具有隔熱、吸熱結(jié)構(gòu)，在戶外使用該產(chǎn)品，特別是在特種穿戴顯示器設(shè)備上使用該產(chǎn)品，會(huì)使人體長(zhǎng)期受到紅外線及紫外線的侵害，在特種高溫環(huán)境中，產(chǎn)品內(nèi)部及表面的溫度都會(huì)不斷升高，觸摸屏表面的高溫會(huì)影響用戶的使用及體驗(yàn)，而且隨著時(shí)間的不斷推移，紫外線會(huì)加速產(chǎn)品的老化，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)黃變、氣泡返彈等缺陷，從而縮短了產(chǎn)品的使用壽命。

該文分析理論并設(shè)計(jì)了一種新型隔熱電容觸摸屏；其整體透過率高，可以有效地切斷對(duì)人體有害的電子輻射、紫外線以及遠(yuǎn)紅外線，從而起到防輻射的效果。在該基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一款特種觸摸顯示器并闡述了其主要技術(shù)原理、設(shè)計(jì)方案以及關(guān)鍵技術(shù)，為特種觸摸穿戴顯示器在極端環(huán)境下的使用提供了重要的技術(shù)支持[1-4]。

1 技術(shù)方案

1.1 顯示器組成和工作原理

OLED 顯示模塊式是某服裝配套終端控制界面和顯示用配套產(chǎn)品，主要運(yùn)行控制終端GUI，可通過網(wǎng)絡(luò)播放中心計(jì)算機(jī)、攝像頭的視頻信號(hào)，按要求顯示畫面，OLED 顯示模塊外形圖如圖1 所示。OLED 顯示模塊包括OLED 屏組件、電路板組件和結(jié)構(gòu)組件，如圖2 所示。

圖1 OLED 顯示模塊外形圖

圖2 顯示器組成示意圖

OLED 屏組件包括OLED 屏、觸摸屏等，OLED 屏為顯示介質(zhì)，它是一種光電顯示器件，觸摸屏包括蓋板保護(hù)玻璃（抗輻射玻璃）、傳感器功能玻璃、ITO 屏蔽玻璃和2 層玻璃之間的光學(xué)膠；電路板組件包括產(chǎn)品背光亮度控制、溫度采集控制以及信號(hào)處理；結(jié)構(gòu)組件包括面板、屏框架、后框架、蓋板及安裝支架等。

1.2 整體方案設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)是以O(shè)LED 顯示模塊的功能要求為基礎(chǔ)，合理分配硬件資源，搭建可以滿足OLED 顯示模塊功能要求的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)、余度設(shè)計(jì)以及可靠性設(shè)計(jì)，電路總體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 硬件功能框圖

從OLED 屏選型、光學(xué)強(qiáng)光可視等方面對(duì)光學(xué)指標(biāo)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)并結(jié)合產(chǎn)品的整體加固設(shè)計(jì)，在保證技術(shù)指標(biāo)的前提下，選取可靠性更高的整體加固方案并結(jié)合光學(xué)綁定設(shè)計(jì)，以降低OLED 顯示模塊在強(qiáng)光照射時(shí)的反射亮度，增加強(qiáng)光對(duì)比度，有利于乘員更加清晰地辨識(shí)OLED 顯示模塊上的信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析及解決措施

2.1 觸摸屏設(shè)計(jì)

為滿足觸摸性能、抗輻射以及電磁兼容的要求，該電容觸摸屏在總體設(shè)計(jì)思路上采用G+G+G 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，第一層為蓋板玻璃，第二層為傳感器功能玻璃（上、下兩面分別為Rx電極層及走線、Tx電極層及走線），第三層為ITO屏蔽玻璃，以達(dá)到電磁屏蔽的目的，3 層玻璃之間通過厚度為0.2 mm 的光學(xué)膠進(jìn)行全貼合[5-7]。各層組成如圖4 所示。

圖4 電容屏層疊結(jié)構(gòu)示意圖

通過光學(xué)膠有效地將Sensor 功能片與蓋板玻璃、屏蔽玻璃粘接在一起，起到加強(qiáng)保護(hù)和固定的作用，相關(guān)措施如下：1） 選擇高透光性、耐高溫的OCA 光學(xué)膠。2） 通過定制專用的貼合夾具來滿足整體厚度的要求并對(duì)貼合尺寸進(jìn)行控制。

2.2 隔熱觸摸屏蓋板玻璃設(shè)計(jì)

隔熱玻璃又叫低輻射玻璃，它是采用磁控真空濺射技術(shù)，在玻璃表面鍍9～20 層厚度為50 nm～300 nm 的金屬化合物膜涂層。涂層可以反射遠(yuǎn)紅外輻射，有效降低玻璃的傳熱系數(shù)；還可以反射太陽(yáng)中的熱輻射，有選擇地降低遮陽(yáng)系數(shù)，且不會(huì)過多地限制可見光的穿透。它可以達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：1） 抗彎強(qiáng)度≥200 MPa。2） 在1 100 nm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，透過率衰減率≤0.8%。3） 二次電子發(fā)射系數(shù)≤3.0。4） 耐熱沖擊溫度≥280 ℃。

將其作為觸摸屏的蓋板玻璃，此外，玻璃采用AG 處理（化學(xué)蝕刻），AG 玻璃的蝕刻深度僅為0.05 mm～0.07 mm，其特點(diǎn)是使原玻璃反光表面變?yōu)槁瓷浔砻?，防止眩光，?qiáng)光下可視。對(duì)經(jīng)過AG 處理后的防眩玻璃進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化處理，以增強(qiáng)玻璃的強(qiáng)度和表面抗劃傷的性能。化學(xué)蝕刻型AG 玻璃表面光學(xué)參數(shù)如下：霧度為8%～10%，粗糙度（Ra）＜0.12 μm，觸感更光滑，人機(jī)交互體驗(yàn)更優(yōu)。通過光學(xué)膠水綁定觸摸Sensor 功能片，達(dá)到抗輻射隔熱玻璃和觸摸屏二合一的效果，一方面起到保護(hù)和加固觸摸屏功能片的作用，另一方面切斷對(duì)人體有害的電子輻射、紫外線以及遠(yuǎn)紅外線，達(dá)到防輻射的效果[8-10]。

2.3 溫度采集設(shè)計(jì)

航天環(huán)境較為復(fù)雜多變，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的監(jiān)控以及方便對(duì)OLED 顯示模塊工作模式進(jìn)行控制，OLED 顯示模塊內(nèi)置多個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)OLED 顯示模塊關(guān)鍵部件的環(huán)境溫度，以此判斷芯片工作狀態(tài)是否良好并根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)主要芯片的工作模式。

使用的傳感器為電阻型的高精度溫度傳感器，通過運(yùn)算放大反饋電路，將其溫度的變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化（溫度傳感器采樣電路框圖如圖5 所示），然后通過AD 轉(zhuǎn)換上報(bào)給控制器，通過控制器對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。

圖5 溫度傳感器采樣電路

2.4 自檢設(shè)計(jì)

自檢設(shè)計(jì)是為了監(jiān)控產(chǎn)品的狀態(tài)、提高產(chǎn)品的測(cè)試性，確保產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的測(cè)試性要求，提高產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性，降低對(duì)維修人力和其他資源的要求和壽命周期費(fèi)用并為管理提供必要的信息。

OLED 顯示模塊的故障模式框圖如圖6 所示。根據(jù)故障模式框圖，自檢電路包括以下3 個(gè)方面的內(nèi)容。

圖6 OLED 顯示模塊的故障模式框圖

2.4.1 外部電源自檢

外部輸入的電源自檢主要檢測(cè)電源電壓是否在工作范圍內(nèi)或是否斷電，當(dāng)電源電壓低于預(yù)設(shè)的范圍或電源斷電時(shí)，可檢測(cè)到的瞬間的電壓跌落被MCU 快速記錄并通過通信電路上傳至電路板。

2.4.2 網(wǎng)絡(luò)和RS485故障

千兆網(wǎng)絡(luò)與中心計(jì)算機(jī)之間一直都在進(jìn)行報(bào)文傳遞，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，RK3399 可在一定時(shí)間內(nèi)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)芯片的工作狀態(tài)判斷網(wǎng)絡(luò)是否故障并及時(shí)通過RS485 上報(bào)至中心計(jì)算機(jī)。同理，RS485 通信故障也可以通過網(wǎng)絡(luò)上報(bào)至中心計(jì)算機(jī)。

2.4.3 OLED 屏故障

RK3399 與OLED 屏通過MIPI 接口相連，每時(shí)每刻均存在數(shù)據(jù)交互，當(dāng)OLED 屏出現(xiàn)故障時(shí)，可通過OLED 驅(qū)動(dòng)芯片寄存器偵測(cè)故障狀態(tài)。

2.5 導(dǎo)熱設(shè)計(jì)

在真空環(huán)境下，OLED 顯示屏表面所受到的熱量來源主要以熱輻射為主，其次就是自身的工作熱量。因此，需要在OLED 顯示屏與結(jié)構(gòu)面板之間增加一種具備導(dǎo)電、導(dǎo)熱和緩沖效果的材料，對(duì)OLED 顯示屏組件進(jìn)行隔熱固定處理，從而恒定OLED 顯示屏的表面溫度。使用一種扁平狀導(dǎo)熱泡棉作為OLED 顯示屏與面板之間的導(dǎo)電緩沖材料，如圖7 所示。

圖7 導(dǎo)電隔熱泡棉橫截面示意圖

該導(dǎo)電泡棉外部為環(huán)形導(dǎo)電布層，內(nèi)部為導(dǎo)電泡棉。導(dǎo)電布層可使濾光片與面板之間有良好的導(dǎo)電性能，以達(dá)到電磁屏蔽的效果；導(dǎo)電泡棉內(nèi)部的泡棉有導(dǎo)熱和減震緩沖的作用，可有效降低OLED 顯示屏的熱量和所受到的沖擊力。

顯示器主要熱源為OLED 顯示屏自身的工作熱量、芯片的熱量，針對(duì)OLED 顯示屏導(dǎo)熱設(shè)計(jì)，使用厚度約為0.3 mm、導(dǎo)熱系數(shù)約為1.5 W/m·K 的導(dǎo)熱墊片作為OLED 顯示屏和結(jié)構(gòu)件之間的熱傳導(dǎo)介質(zhì)。該導(dǎo)熱墊片粘接性能較強(qiáng)，可將OLED 牢靠地固定在結(jié)構(gòu)件上，以達(dá)到快速散熱的效果[11]。

通過理論分析并結(jié)合熱仿真分析可以證明，該產(chǎn)品的耐熱設(shè)計(jì)方案合理、可行，能滿足OLED 顯示模塊的使用要求。

2.6 機(jī)械接口設(shè)計(jì)

OLED 顯示模塊正面設(shè)計(jì)安裝了托架，其上下設(shè)計(jì)有宇航服裝配所需要的4 個(gè)安裝孔。OLED 顯示模塊通過設(shè)計(jì)的2 個(gè)扭力轉(zhuǎn)軸使OLED 顯示模塊沿上、下2 個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。需要旋轉(zhuǎn)時(shí)，操作人員向前搬動(dòng)OLED 顯示模塊，OLED 顯示模塊在扭力轉(zhuǎn)軸的阻力下繞2 個(gè)扭力轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可方便且平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)到工作狀態(tài)位置。用戶裝配完成展開示意圖如圖8 所示。

圖8 用戶裝配完成展開示意圖

2.7 抗振動(dòng)、沖擊設(shè)計(jì)

2.7.1 OLED 顯示屏組件抗振性設(shè)計(jì)

OLED 顯示屏的薄板結(jié)構(gòu)形態(tài)導(dǎo)致其對(duì)顯示方向的振動(dòng)非常敏感，而環(huán)境的強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響OLED 顯示屏的圖像顯示質(zhì)量。對(duì)該項(xiàng)目來說，由于該產(chǎn)品的顯示尺寸較大，振動(dòng)環(huán)境對(duì)OLED 顯示屏的影響尤為明顯。因此，需要對(duì)OLED 顯示屏進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)，以提高其抗振性能。

OLED 顯示屏由振動(dòng)引起的應(yīng)力與加速度成正比，共振引起的放大效應(yīng)會(huì)增大應(yīng)力。因此，OLED 顯示屏的應(yīng)力與振動(dòng)頻率的關(guān)系取決于外部環(huán)境的振動(dòng)頻率，如圖9 所示。

系統(tǒng)固有頻率頻率公式如公式（1）所示。

式中：C為剛度；M為質(zhì)量。

分析圖9 可知，當(dāng)阻尼系數(shù)s一定且f/f0大于1.25 時(shí)，物體振動(dòng)強(qiáng)度才會(huì)減小，可達(dá)到減振的目的，減小固有頻率f0是有必要的。因此，結(jié)合公式（1）可以減小剛度以及增大顯示組件的質(zhì)量；當(dāng)f/f0一定時(shí)，增大阻尼系數(shù)s可以達(dá)到減振的目的。

圖9 單自由度強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)圖譜

綜上所述，可以從3 個(gè)方面對(duì)OLED 顯示屏進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)：使用剛性小的柔性材料進(jìn)行安裝固定、增加OLED 顯示屏組件的自重以及增大減振系統(tǒng)的阻尼。

該項(xiàng)目采用在OLED 顯示屏四周添加具有阻尼作用的特殊材料來隔離固定，以減小支撐環(huán)節(jié)的剛性；采用兩面復(fù)合加固玻璃的方法提高OLED 顯示屏自身的質(zhì)量并提高OLED 顯示屏組件的抗彎曲、應(yīng)變能力，減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象，降低OLED 顯示屏的固有頻率。

2.7.2 電路板組件抗振性設(shè)計(jì)

電路板組件是OLED 顯示模塊的控制器，也是模塊的核心組件，因此，提高電路板組件的抗振性是非常必要的。對(duì)整個(gè)OLED 顯示模塊、電路板的實(shí)際情況進(jìn)行分析，其在非垂直于屏的方向，即X方向以及Z方向上電路板的尺寸較小，小于2 mm，因此在振動(dòng)環(huán)境下這2 個(gè)方向不會(huì)出現(xiàn)破壞性變形；在垂直于屏的方向，即Y方向上，通過螺釘固定的方式將電路板固定在背光框架上，并且其固定點(diǎn)位于背光框架加強(qiáng)筋上，可以增加電路板的剛度強(qiáng)度。電路板與OLED顯示屏對(duì)插部分采用剛?cè)岚宓倪B接方式，插件固定于結(jié)構(gòu)件上，降低電路板主體帶來的振動(dòng)影響。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)特種觸摸顯示器的應(yīng)用情況，該文設(shè)計(jì)了一種新型隔熱電容觸摸屏，在該基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一款特種觸摸顯示器并闡述了其主要技術(shù)原理、設(shè)計(jì)方案以及關(guān)鍵技術(shù)，為特種觸摸穿戴顯示器在航天極端環(huán)境下的使用提供了重要的技術(shù)支持。