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

作者 潘威 董蜀峰  冠捷科技桑菲消費(fèi)通訊有限公研發(fā)中心(廣東 深圳 518057)

　　潘威(1987-)，男，工程師，研究方向：通信與信息系統(tǒng);董蜀峰，男，碩士，工程師，研究方向：通信與信息系統(tǒng)移動(dòng)通訊。

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(ITO)導(dǎo)電和高透光特性制作傳感器組件，ITO電路圖案設(shè)計(jì)多樣性，制造成本較低，制備過(guò)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 ITO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。

0 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(lái)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(lái)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：

(1)

　　ε是介質(zhì)的介電常數(shù)(ε=ε₀ε_r，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_r是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù))，d是電容兩極之間的距離，S板極面積。

　　改變極距，介質(zhì)的介電常數(shù)保持不變，若電容器板極間的距離由初始值d0縮小了Δd，電容量變化了ΔC，則有：

　　則：

　　此時(shí)C和Δd近似線性關(guān)系。d₀較小時(shí)，對(duì)于同樣的Δd變化引起的ΔC值變化相對(duì)增大(如上坐標(biāo)圖所示，ΔC₁>ΔC₂)。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Δd，在按壓的sensor產(chǎn)生電容量模擬信號(hào)的變化ΔC，然后通過(guò)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In2O3(ITO)薄膜的透過(guò)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3D ITO 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ΔC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(guò)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Δd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Δd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Δd和施加的壓力成正比f(wàn)=K·Δd(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=1,2,3…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

　　f₁=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C₁= C₈，則，在同等力的情況下，K₈>K₁，則Δd₁<Δd₈，為了滿足C₁= 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(guò)仿真計(jì)算，將15個(gè)點(diǎn)在相等受力f下的形變量和移動(dòng)的單極面積按照豎條比例表示(圖4)。