挑戰(zhàn)手機(jī)最小邊框

　　黃?洲?（艾邁斯半導(dǎo)體，上海?201204）

　　摘?要：如今手機(jī)的屏幕越來越趨向于超大屏占比的無邊框設(shè)計(jì)，而想要做到這一點(diǎn)實(shí)屬不易。由于受話器與攝像模組的性能非常依賴于尺寸，所以挑戰(zhàn)無邊框的重任便落到了縮小光感與距感的占用面積之上。本文重點(diǎn)討論了光感與距感模塊設(shè)計(jì)的基本原理與技術(shù)要點(diǎn)，以及ams（艾邁斯半導(dǎo)體）的超窄邊框光感距感解決方案的優(yōu)勢所在。

　　關(guān)鍵詞：超窄邊框；光感；距感

　　手機(jī)外觀設(shè)計(jì)的潮流最近已經(jīng)向無邊框挑戰(zhàn)，目的是更高的顯示屏幕占比。但是手機(jī)正面的一些功能，比如受話器、前攝像頭、光感和距感是必須存在的。減小這些功能模塊的占用面積是手機(jī)設(shè)計(jì)工程師一直不懈努力的方向。由于受話器和攝像模組的性能非常依賴于尺寸，不太可能減小這兩個(gè)模組的尺寸。因此，減小光感和距感的占用面積就變得非常關(guān)鍵。

　　1 距感

　　要從2017年20 mm的邊框減小到2019年的0.8mm的邊框，距感必須滿足如下幾個(gè)條件。①非常窄的模組或者器件。②集成紅外激光發(fā)射器，而不是普通的LED，以達(dá)到非常小的尺寸和發(fā)射角度。③更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓鈱W(xué)設(shè)計(jì)以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

　　這些要求集合在一起，是不小的一個(gè)挑戰(zhàn)。圖1是超窄邊框劉海設(shè)計(jì)示意圖。從表面看來和常規(guī)設(shè)計(jì)沒有大的差異。但是從側(cè)面看，與之前的設(shè)計(jì)最大的差別是芯片到觸屏玻璃的距離（air gap）變得非常大。這在以往設(shè)計(jì)是大忌。因?yàn)楦鶕?jù)光線反射和折射原理，大air gap會導(dǎo)致更多的發(fā)射光線被觸屏玻璃反射回來，從而產(chǎn)生非常高的底噪，會將有效信號淹沒，使得距感失效。

　　為了解決這個(gè)問題，針對大air gap，設(shè)計(jì)師通常要考慮以下幾點(diǎn)。

　　1）底噪的考慮。底噪在這里特指當(dāng)沒有任何遮擋物的時(shí)候，傳感器接收到的信號。圖2中示意了由光源發(fā)出的紅外光的主要反射路徑。路徑1和路徑2對底噪的影響最大，路徑3則次之。對于設(shè)計(jì)師來說，減小底噪就變成通過對擋墻的設(shè)計(jì)來控制3條路徑的光線。當(dāng)然，用VCSEL激光做光源，能使光束更集中容易控制，從而減小反射。圖2 由光源發(fā)出的紅外光的主要反射路徑

　　2）公差控制。對于大air gap距感，制造中的公差控制是量產(chǎn)性能的關(guān)鍵。公差控制不僅能減小底噪，還可以使得紅外光線由發(fā)射到接收的阻礙最小，接收信號最強(qiáng)。比如1 mm的開窗設(shè)計(jì)，如果公差是±0.25 mm，那么開窗就有可能到0.75 mm，這將阻擋一部分光線。針對不同的公差，設(shè)計(jì)師需要小心考慮擋墻的寬度、高度以及位置。才能將最終產(chǎn)品的性能控制在一個(gè)可接受范圍內(nèi)。

　　3）關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)置。關(guān)鍵點(diǎn)是指：經(jīng)過觸屏玻璃玻璃折射后，發(fā)射視角和接收視角邊緣的接收點(diǎn)。如下圖3中藍(lán)色光線及其相交點(diǎn)所示。關(guān)鍵點(diǎn)是由器件本身的視角、擋墻的位置一起決定的。關(guān)鍵點(diǎn)的選擇主要是平衡底噪和盲區(qū)。關(guān)鍵點(diǎn)太低，則有過多的光線被觸屏玻璃的上表面反射到接收，造成底噪偏高；關(guān)鍵點(diǎn)太高，則盲區(qū)太大，使得靠近觸屏玻璃的物體反射的光線變少。當(dāng)被測物的反射系數(shù)很小的時(shí)候（比如黑頭發(fā)），就有可能反射能量不足，導(dǎo)致傳感器“看不見”被測物。

　　2 光感設(shè)計(jì)

　　光感是指環(huán)境光傳感器，可以讓手機(jī)知道此時(shí)環(huán)境光亮度，從而調(diào)節(jié)屏幕亮度。環(huán)境光傳感器因?yàn)闆]有發(fā)射，只有接收，因此相對比較簡單。

　　由于air gap過大，同時(shí)開窗太小，會嚴(yán)重影響傳感器的視角，如圖3紅色角度所示。而視角太小，測得的亮度就會不準(zhǔn)確，因?yàn)閭鞲衅骺床坏揭暯且酝獾墓庠础榱藬U(kuò)大視角，我們通常會想辦法將光線擴(kuò)散開來，讓斜射到開窗的光線也能有一部分進(jìn)入到傳感器如圖3黃色線條所示。一般有2種材質(zhì)可以擴(kuò)散光線：一種是白色油墨，油墨顆粒將光線無序的反射，部分斜射光線就能進(jìn)入傳感器；另一種是擴(kuò)散膜，原理類似（如圖4）。

　　擴(kuò)散膜的效果比白油墨好很多，但是價(jià)格高一些，且不方便組裝。擴(kuò)散光線會帶來一個(gè)不利影響——降低透過率，因?yàn)椴糠止饩€被反射，或者散射到其他地方。透過率越低意味著到達(dá)傳感器的光線就越少，測試精度就越差，對器件的靈敏度要求就更高。因此我們需要在透過率和擴(kuò)散能力之間選擇一個(gè)平衡點(diǎn)。通常來說，建議最低的總透過率不低于1%。這里包括觸屏玻璃、油墨等光線經(jīng)過的組件的透過率之積。

　　當(dāng)然，選擇更高靈敏度的傳感器可以給光學(xué)設(shè)計(jì)帶來更多冗余。

　　3 結(jié)論

　　ams針對超窄邊框的方案，是基于合適的模組設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和一系列測試數(shù)據(jù)而得到的，旨在幫助客戶加快設(shè)計(jì)周期，并且提高良率。

　　作者簡介：

　　黃洲，傳感器資深應(yīng)用工程師。在過去14年間，他在個(gè)人消費(fèi)電子領(lǐng)域從事系統(tǒng)設(shè)計(jì)、芯片開發(fā)和應(yīng)用工作。其手機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)橫跨最早的功能手機(jī)和目前普及的智能手機(jī)，對手機(jī)系統(tǒng)級應(yīng)用和設(shè)計(jì)有深入的了解和豐富的經(jīng)驗(yàn)。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第25頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。