变极距型电容式传感器在压力触控技术的设计和应用

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

　　潘威(1987-)，男，工程师，研究方向：通信与信息系统;董蜀峰，男，硕士，工程师，研究方向：通信与信息系统移动通讯。

摘要：如何在减少对手机结构空间尺寸的影响，同时具有良好的用户体验和容易实现的工艺制程情况下实现压力感应技术，集成式的sensor组件是目前最佳的选择。利用铟锡氧化物半导体透明导电膜(ITO)导电和高透光特性制作传感器组件，ITO电路图案设计多样性，制造成本较低，制备过程易控。为了使手机触控面板各个部位在同等压力下产生的电容量相等，设计了自适应变极距电容传感器的sensor ITO电路组件，再与LCM的下偏光片贴合或者集成在下偏光基材上面，保证了基板的平整度，压力产生稳定的形变量。 每个节点的变极距电容传感器的单极面积根据结构按照劲度系数调整集成在面板中，结合控制芯片初始化代码的校准和增益补偿，提升sensor整面模拟信号的一致性。制程需要的材料常见，工厂的制程难度相对于普通CTP的偏低，易生产，利于技术的推广。

0 引言

　　智慧手机在十年内完成了普及和触摸屏的发明，这和发展有很大的关联。随着平面触控技术(下面简称2D)的日渐完善，消费者已经不满足简单的XY轴平面内操作，手机厂商开始追求开发触控的进一步方式，Z轴方向触控(以下简称3D)渐渐在一些高端手机上被使用，3D压力触控主要是快速查询菜单和手游体感操作的技术(配合线性马达体验度更高)，为消费者使用日渐复杂的APP增加了迅捷简单的操控模式和带来更好的游戏体验，目前市场上大部分的3D压力触控技术属于传统的外挂式，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片选择安装在背光后面，再结合A壳支柱精密支撑实现，而良好的平整度主要依赖于该机器精细的A壳结构设计，对壳料加工厂的要求比较严格，不利于模组走向标准化和成本优化，而3D sensor背光后置的模式因为形变量较少而要求较多的精细控制和更为复杂的算法，对3D压力触控技术的效果和普及产生不小的阻碍。下面将着重介绍3D压力的sensor片和TFT-LCD模组集成为一体技术的设计和实现。

1 主要功能设计

　　平板类电容值变化主要由三个要素决定：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。这里我们讨论变极距型电容式传感器。电容量(capacitance)计算公式：

(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是电容两极之间的距离，S板极面积。

　　改变极距，介质的介电常数保持不变，若电容器板极间的距离由初始值d0缩小了Δd，电容量变化了ΔC，则有：

　　则：

　　此时C和Δd近似线性关系。d₀较小时，对于同样的Δd变化引起的ΔC值变化相对增大(如上坐标图所示，ΔC₁>ΔC₂)。从而使传感器获取较高的灵敏度，适合应用在微组件的sensor设计。而这次设计的工作原理，简单解释便是控制芯片驱动Tx为每一条对应ITO通道充满电荷，使用者手指压力改变ITO制作成的单极板极距Δd，在按压的sensor产生电容量模拟信号的变化ΔC，然后通过控制芯片的接受通道Rx在该控制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，导电性能最好,并且很容易在酸溶液中将透明电极腐蚀出微细的图形，适用于光学器件感应片的制作。图1是设计中的3D ITO sensor 集成结构示意图。

　　3D压力感应区别于2D触摸功能，平面触控原理是人体手指接触触摸屏的表面磁场从而改变触摸所在节点的寄生电容电荷量产生ΔC作为触发机制 ，为了在每个部位获取相等的磁通量，2D触控的sensor图案要在AA区均匀的分布，每个节点和线宽线距其Pitch值需要设计成一致。图3(a)是2D触控的感应器电路图案，图案关乎各个节点的走线布局相同，每个通道的RX保持一致的在地电势，旨在获取一样的基准值(baseline value)。

　　3D则是通过更改所按压位置的等效变极距型电容传感器的单极极距产生Δd作为变量机制。显示面板利用双面透明固态胶OCA贴合在触控面板的CG(CTP保护盖板)反面，再由CG和A壳用积水液态胶或者双面胶粘合成一体，然玻璃表面的张力因位置不同而不相等，同样大小的压力加在不同的部位，所获取的Δd会有差异，我们先选定15个测试点作为后续验证使用(如图2)。

　　根据胡克定律，固体材料受力之后，材料中的应力与应变(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)，由前面的计算可以知道压力f和节点电容量C也可认为线性关系。因为节点之间的劲度系数Kx ( x=1,2,3…15 )并不相同，劲度系数和离边缘的距离成反比，如第8点的劲度系数大于第1点的劲度系数。

　　我们默认施加在屏幕上的压力相等，即

　　f₁=f₂=f₃﹒﹒﹒=f₁₃=f₁₄=f₁₅ ，现要求施加相等的压力，节点的电容量相等。

　　即C₁=C₂=C₃=…=C₁₃=C₁₄=C₁₅，随机取2点，如要求C₁= C₈，则，在同等力的情况下，K₈>K₁，则Δd₁<Δd₈，为了满足C₁= C₈，则先要满足S₁>S₈。而3D sensor设计正是根据这个原理对不同部位的平板单极的面积做出不一样的调整，单极面积和离边缘的距离成反比。

　　那么设计的原理便是根据上述描述的节点电容传感器的单极面积S从中间到边缘的逐渐增大，最终输出相同的模拟量(即电容变化差值)。节点最大电容量通常为20 ~ 100 pF，通过仿真计算，将15个点在相等受力f下的形变量和移动的单极面积按照竖条比例表示(图4)。