变极距型电容式传感器在压力触控技能的规划和使用

作者 潘威 董蜀峰  冠捷科技桑菲消费通讯有限公研制中心(广东 深圳 518057)

　　潘威(1987-)，男，工程师，研讨方向：通讯与信息系统;董蜀峰，男，硕士，工程师，研讨方向：通讯与信息系统移动通讯。

摘要：如安在削减对手机结构空间尺度的影响，一起具有杰出的用户体会和简略完成的工艺制程情况下完成压力感应技能，集成式的sensor组件是现在最佳的挑选。运用铟锡氧化物半导体通明导电膜(ITO)导电和高透光特性制造传感器组件，ITO电路图画规划多样性，制造本钱较低，制备进程易控。为了使手机触控面板各个部位在平等压力下发生的电容量持平，规划了自适应变极距电容传感器的sensor ITO电路组件，再与LCM的下偏光片贴合或许集成鄙人偏光基材上面，确保了基板的平整度，压力发生安稳的形变量。 每个节点的变极距电容传感器的单极面积依据结构依照劲度系数调整集成在面板中，结合操控芯片初始化代码的校准和增益补偿，提高sensor整面模拟信号的共同性。制程需求的资料常见，工厂的制程难度相关于一般CTP的偏低，易出产，利于技能的推行。

0 导言

　　才智手机在十年内完成了遍及和接触屏的创造，这和开展有很大的相关。跟着平面触控技能(下面简称2D)的日渐完善，顾客现已不满意简略的XY轴平面内操作，手机厂商开端寻求开发触控的进一步方法，Z轴方向触控(以下简称3D)逐步在一些高端手机上被运用，3D压力触控首要是快速查询菜单和手游体感操作的技能(合作线性马达体会度更高)，为顾客运用日渐杂乱的APP增加了快捷简略的操控形式和带来更好的游戏体会，现在市场上大部分的3D压力触控技能归于传统的外挂式，由于3D压力感应的sensor检测的变量直接来源于按压部位的形变量，对sensor的基板的平整度要求极高，为了不影响LCM成像的亮度和清晰度，传统的3D压力sensor片挑选安装在背光后边，再结合A壳支柱精密支撑完成，而杰出的平整度首要依赖于该机器精密的A壳结构规划，对壳料加工厂的要求比较严厉，不利于模组走向标准化和本钱优化，而3D sensor背光后置的形式由于形变量较少而要求较多的精密操控和更为杂乱的算法，对3D压力触控技能的作用和遍及发生不小的阻止。下面将侧重介绍3D压力的sensor片和TFT-LCD模组集成为一体技能的规划和完成。

1 首要功用规划

　　平板类电容值改动首要由三个要素决议：介质的介电常数，平板面积和极距。电容传感器可分为三类：变极距型、变面积型、变介电常数型。这儿咱们评论变极距型电容式传感器。电容量(capacitance)核算公式：

(1)

　　ε是介质的介电常数(ε=ε₀ε_r，ε₀为真空介电常数，ε_r是介质的相对介电常数)，d是电容南北极之间的间隔，S板极面积。

　　改动极距，介质的介电常数坚持不变，若电容器板极间的间隔由初始值d0缩小了Δd，电容量改动了ΔC，则有：

　　则：

　　此刻C和Δd近似线性关系。d₀较小时，关于相同的Δd改动引起的ΔC值改动相对增大(如上坐标图所示，ΔC₁>ΔC₂)。然后使传感器获取较高的灵敏度，合适应用在微组件的sensor规划。而这次规划的作业原理，简略解说就是操控芯片驱动Tx为每一条对应ITO通道充溢电荷，运用者手指压力改动ITO制造成的单极板极距Δd，在按压的sensor发生电容量模拟信号的改动ΔC，然后经过操控芯片的承受通道Rx在该操控芯片转化为数字信号反馈给主板的主控芯片做进一步处理。

　　在氧化物导电膜中,以掺Sn的In2O3(ITO)薄膜的透过率最高，导电功用最好,而且很简略在酸溶液中将通明电极腐蚀出微细的图形，适用于光学器材感应片的制造。图1是规划中的3D ITO sensor 集成结构示意图。

　　3D压力感应差异于2D接触功用，平面触控原理是人体手指接触接触屏的外表磁场然后改动接触地点节点的寄生电容电荷量发生ΔC作为触发机制 ，为了在每个部位获取持平的磁通量，2D触控的sensor图画要在AA区均匀的散布，每个节点和线宽线距其Pitch值需求规划成共同。图3(a)是2D触控的感应器电路图画，图画关乎各个节点的走线布局相同，每个通道的RX坚持共同的在地电势，旨在获取相同的基准值(baseline value)。

　　3D则是经过更改所按压方位的等效变极距型电容传感器的单极极距发生Δd作为变量机制。显现面板运用双面通明固态胶OCA贴合在触控面板的CG(CTP维护盖板)不和，再由CG和A壳用积水液态胶或许双面胶粘组成一体，然玻璃外表的张力因方位不同而不持平，相同巨细的压力加在不同的部位，所获取的Δd会有差异，咱们先选定15个测试点作为后续验证运用(如图2)。

　　依据胡克定律，固体资料受力之后，资猜中的应力与应变(单位变形量)之间成线性关系。单点的形变量Δd和施加的压力成正比f=K·Δd(K是劲度系数)，由前面的核算能够知道压力f和节点电容量C也可以为线性关系。由于节点之间的劲度系数Kx ( x=1,2,3…15 )并不相同，劲度系数和离边际的间隔成反比，如第8点的劲度系数大于第1点的劲度系数。

　　咱们默许施加在屏幕上的压力持平，即

　　f₁=f₂=f₃﹒﹒﹒=f₁₃=f₁₄=f₁₅ ，现要求施加持平的压力，节点的电容量持平。

　　即C₁=C₂=C₃=…=C₁₃=C₁₄=C₁₅，随机取2点，如要求C₁= C₈，则，在平等力的情况下，K₈>K₁，则Δd₁<Δd₈，为了满意C₁= C₈，则先要满意S₁>S₈。而3D sensor规划正是依据这个原理对不同部位的平板单极的面积做出不相同的调整，单极面积和离边际的间隔成反比。

　　那么规划的原理就是依据上述描绘的节点电容传感器的单极面积S从中心到边际的逐步增大，终究输出相同的模拟量(即电容改动差值)。节点最大电容量一般为20 ~ 100 pF，经过仿真核算，将15个点在持平受力f下的形变量和移动的单极面积依照竖条份额表明(图4)。