變極距型電容式傳感器在壓力觸控技術的設計和應用

作者 潘威 董蜀峰  冠捷科技桑菲消費通訊有限公研發(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)移動通訊。

摘要：如何在減少對手機結構空間尺寸的影響，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)壓力感應技術，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(ITO)導電和高透光特性制作傳感器組件，ITO電路圖案設計多樣性，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生的電容量相等，設計了自適應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)結構按照勁度系數(shù)調整集成在面板中，結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，利于技術的推廣。

0 引言

　　智慧手機在十年內完成了普及和觸摸屏的發(fā)明，這和發(fā)展有很大的關聯(lián)。隨著平面觸控技術(下面簡稱2D)的日漸完善，消費者已經不滿足簡單的XY軸平面內操作，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(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壓力觸控技術屬于傳統(tǒng)的外掛式，由于3D壓力感應的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殼結構設計，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壓力觸控技術的效果和普及產生不小的阻礙。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的設計和實現(xiàn)。

1 主要功能設計

　　平板類電容值變化主要由三個要素決定：介質的介電常數(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：

(1)

　　ε是介質的介電常數(shù)(ε=ε₀ε_r，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_r是介質的相對介電常數(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C和Δd近似線性關系。d₀較小時，對于同樣的Δd變化引起的ΔC值變化相對增大(如上坐標圖所示，ΔC₁>ΔC₂)。從而使傳感器獲取較高的靈敏度，適合應用在微組件的sensor設計。而這次設計的工作原理，簡單解釋便是控制芯片驅動Tx為每一條對應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產生電容量模擬信號的變化ΔC，然后通過控制芯片的接受通道Rx在該控制芯片轉化為數(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In2O3(ITO)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片的制作。圖1是設計中的3D ITO sensor 集成結構示意圖。

　　3D壓力感應區(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生ΔC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值需要設計成一致。圖3(a)是2D觸控的感應器電路圖案，圖案關乎各個節(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生Δd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Δd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，材料中的應力與應變(單位變形量)之間成線性關系。單點的形變量Δd和施加的壓力成正比f=K·Δd(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也可認為線性關系。因為節(jié)點之間的勁度系數(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

　　f₁=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整，單極面積和離邊緣的距離成反比。

　　那么設計的原理便是根據(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f下的形變量和移動的單極面積按照豎條比例表示(圖4)。