陳 烜，葉家聰

(深圳天馬微電子股份有限公司 研發(fā)中心，廣東 深圳 518118)

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Oncell觸控技術(shù)在車載中的應(yīng)用

陳 烜，葉家聰

(深圳天馬微電子股份有限公司 研發(fā)中心，廣東 深圳 518118)

Oncell觸摸技術(shù)將觸摸感應(yīng)膜層集合于液晶顯示面板上,相較于常規(guī)的雙層技術(shù)方案，具有更輕薄化，透過(guò)率更高，制程更優(yōu)的特點(diǎn)。本文將單層多點(diǎn)電容方案、復(fù)合蓋板、防反射、防指紋涂層、全貼合等新技術(shù)用在了Oncell上。研究了在車載復(fù)雜狀況下的使用,可匹配不同的液晶顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，最新開發(fā)的Oncell觸控技術(shù)，可以支持3點(diǎn)以上觸控，支持戴手套操作，通過(guò)頭部撞擊試驗(yàn)，其表面反射率低于3%，線性度為±1.5 mm，最新開發(fā)的Oncell觸控技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)問題得到了解決，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以滿足車載產(chǎn)品苛刻的要求。今后Oncell觸摸技術(shù)也必將會(huì)成為車載觸控領(lǐng)域重要的技術(shù)方案。

Oncell；車載；觸控技術(shù)；全貼合；頭部撞擊；電容觸摸屏

1 引 言

在消費(fèi)類電子領(lǐng)域，電容屏觸摸(CTP)技術(shù)已成為手機(jī)、平板電腦等市場(chǎng)主流[1]。隨著汽車互聯(lián)網(wǎng)，智能汽車的迅速發(fā)展使得人們對(duì)于汽車產(chǎn)品的人機(jī)交互提出了更高的要求，特別是觸控技術(shù)，但在車載應(yīng)用上，目前還是以電阻屏技術(shù)方案為主，但由于電容屏相比電阻屏，具有光學(xué)透析度好、外觀簡(jiǎn)潔漂亮、觸摸操作簡(jiǎn)單方便，壽命長(zhǎng)等方面的優(yōu)勢(shì)，國(guó)際上一些大的汽車廠商，如通用、克萊斯勒、奔馳、寶馬等，已開始將電容屏研發(fā)導(dǎo)入到車載應(yīng)用上?？梢灶A(yù)見，未來(lái)電容屏技術(shù)在車載產(chǎn)品上的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)越來(lái)越廣[2]。目前，電容屏觸摸技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是Oncell觸摸技術(shù)。Oncell觸摸技術(shù)是電容屏觸摸技術(shù)的一種新型技術(shù)方案，其將觸摸感應(yīng)膜層集合于液晶顯示面板上，相較于常規(guī)的COVER+SENSOR雙層技術(shù)方案，具有更輕薄化，透析度更高，制程更優(yōu)化，成本更有優(yōu)勢(shì)等特點(diǎn)。國(guó)際上，三星已將Oncell廣泛應(yīng)用于其熱賣的智能手機(jī)Galaxy S/ Note系列,其它面板大廠像群創(chuàng)、華映、和鑫光電、彩晶等也積極跟進(jìn)，紛紛切入Oncell且已量產(chǎn)。據(jù)NPD DisplaySearch預(yù)估，2014年Oncell觸控面板出貨量將達(dá)2.65×108片、年增率上看37%。2015年其市場(chǎng)占有率將達(dá)到15%左右。未來(lái)3～5 年內(nèi)，Oncell將會(huì)發(fā)展為電容屏觸摸主流技術(shù)方案。在車載應(yīng)用上，有著特殊的技術(shù)要求，如需要帶手套操作，需要通過(guò)頭部撞擊試驗(yàn)[3]；更嚴(yán)格的光學(xué)指標(biāo)要求，如反射率，透過(guò)率要求更高；更高的可靠性要求，如工作溫度要求-40～90 ℃。開發(fā)可應(yīng)用于車載產(chǎn)品的Oncell觸摸技術(shù)，解決Oncell觸控顯示的很多關(guān)鍵技術(shù)問題，使其滿足車載產(chǎn)品苛刻的要求，可以實(shí)現(xiàn)Oncell觸摸技術(shù)在車載上的快速應(yīng)用?？梢愿玫貪M足汽車互聯(lián)網(wǎng)和智能汽車對(duì)于人機(jī)交互的需求，今后Oncell觸摸技術(shù)也必將會(huì)成為車載觸控領(lǐng)域重要的技術(shù)方案。

2 Oncell的結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 Oncell觸控屏的結(jié)構(gòu)

圖1 Oncell剖面圖Fig.1 Oncell section drawing

觸摸感應(yīng)層由一層ITO Sensor組成，生產(chǎn)流程是先制作好TFT-LCD，圖1所示，包括TN模式的TFT和IPS模式的TFT[4-5]，TFT玻璃基板厚度為0.3 mm，彩色濾光片(CF)的厚度也是0.3 mm。再在彩色濾光片濺射一層ITO層，之后經(jīng)過(guò)黃光制程制作驅(qū)動(dòng)電極，感應(yīng)電極和走線電極。在SENSOR的上面再用OCA或OCR膠水貼合蓋板玻璃(Cover Glass)。見圖1為Oncell剖面圖。為了滿足車載頭部撞擊測(cè)試，蓋板玻璃改用了亞克力(PMMA)和PC(聚碳酸酯)復(fù)合材質(zhì)的蓋板。

圖2為Sensor的走線示意圖，單層多點(diǎn)Oncell[6-9]的走線在一層ITO上集成了發(fā)射電極和接收電極，發(fā)射電極和接收電極之間會(huì)形成一個(gè)固有的電容值。走線電極(Trace Line)可為懸空電極。

圖2 Sensor走線和互電容Fig.2 Sensor trace and mutual capacity

2.2 Oncell觸摸屏的工作原理

2.2.1 單層ITO電容屏工作原理

利用人體電場(chǎng),當(dāng)手指接近觸摸屏表面時(shí)，手指與Tx和Rx構(gòu)成一個(gè)電容，這樣該觸摸位置的電容值就會(huì)發(fā)生改變。由于只有單層的ITO走線，實(shí)際掃描電容值時(shí)僅掃描互電容值的變化。

如圖3，根據(jù)電容的變化，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算[10-11],可檢測(cè)出手指觸摸點(diǎn)的位置。

圖3 單層ITO電容屏工作原理Fig.3 Single ITO capacitor TP schematic

2.2.2 電容值變化的轉(zhuǎn)換

對(duì)于IC來(lái)說(shuō)是沒有辦法直接檢測(cè)電容值和其變化的，這就需要將其轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

如圖4，當(dāng)S1閉合S2斷開時(shí)有電流從A進(jìn)入電容C充電；當(dāng)S1斷開S2閉合式，電容C進(jìn)過(guò)B放電，S1和S2開關(guān)由時(shí)鐘電路控制，周而復(fù)始地工作。經(jīng)過(guò)開關(guān)電容的充電電流i=C×dV/dt；一個(gè)周期內(nèi)的電壓變化ΔV=ig×Δt/C；開關(guān)頻率f=1/Δt；這樣A和B兩端的等效電阻為：

(1)

這樣電容的變化就轉(zhuǎn)換成了電阻值的變化。

圖4 測(cè)量感應(yīng)電容原理Fig.4 Schematic of capacity test

3 Oncell在車載應(yīng)用上的技術(shù)

在車載應(yīng)用上，有著特殊的技術(shù)要求，如需要帶手套操作，需要通過(guò)頭部撞擊試驗(yàn)；更嚴(yán)格的光學(xué)指標(biāo)要求，如反射率、透過(guò)率要求更高；更高的可靠性要求，如工作溫度要求-40～90 ℃。為了滿足這些需求必須采用特殊的技術(shù)。

3.1 帶手套觸控

對(duì)于車載產(chǎn)品關(guān)于戴手套觸摸的特性，通過(guò)比較不同材質(zhì)和厚度的手套分析，例如羊毛、皮革、纖維或者尼龍，發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)不同厚度手套對(duì)于觸控的靈敏度有很大的影響，帶手套操作時(shí)信號(hào)強(qiáng)度會(huì)衰減，若僅靠互電容模式驅(qū)動(dòng)的方式能有效地支持1.0 mm厚度纖維或皮革材質(zhì)的手套，對(duì)于2.0 mm以上的皮革材質(zhì)手套還無(wú)法支持，如圖5為不同材質(zhì)，厚度手套對(duì)于觸控性能的影響。增加強(qiáng)度后可能放寬對(duì)于手套厚度的要求，但會(huì)出現(xiàn)亂報(bào)點(diǎn)不良。

圖5 不同手套信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Different glove vs signal

3.2 頭部撞擊試驗(yàn)

車載產(chǎn)品對(duì)于頭部沖擊要求見圖6，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故時(shí)，駕駛員或副駕駛員頭部可能會(huì)撞擊到觸摸屏的表面。

圖6 頭部撞擊測(cè)試圖示Fig.6 Head impact test

基于車載產(chǎn)品對(duì)于頭部沖擊要求，實(shí)際研究先從蓋板材質(zhì)、厚度以及結(jié)構(gòu)，分析其是否能起到保護(hù)作用，分析產(chǎn)品實(shí)際判定標(biāo)準(zhǔn)以及車載電阻屏解決思路，從而提出采用玻璃表面貼附膜材或偏光片，既起到防爆作用，又能改善光學(xué)效果的方案。如果客戶對(duì)外觀結(jié)構(gòu)有3D立體的要求，可提供PMMA加PC復(fù)合板方案。實(shí)現(xiàn)立體形狀的蓋板匹配汽車結(jié)構(gòu)需求，并提供觸控功能。PMMA加PC復(fù)合板可以在CTP屏被撞擊破損后保障沒有鋒利的玻璃濺出傷人。

3.3 光學(xué)指標(biāo)提升

3.3.1 全貼合替代普通貼合

普通的CTP采用口字膠貼合，這樣貼合的操作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但由于CTP和LCD中間為空氣層，這樣在光線通過(guò)CTP和LCD時(shí)會(huì)在界面發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，造成整體的背景發(fā)白，嚴(yán)重影響了LCD的對(duì)比度。特別對(duì)于汽車產(chǎn)品其要求背景色要足夠黑。為了解決這個(gè)問題我們采用了光線貼合硬膠或光線貼合的水膠來(lái)貼合CTP和LCD，用這兩種膠水來(lái)都叫全貼合。如圖6是口字膠框貼和OCA(光學(xué)透明膠帶)/OCR(光學(xué)透明樹脂)全貼合的效果對(duì)比。圖中可以看到，全貼合的LCD明顯比框貼合的底色要黑得多。

圖6 全貼合與口字膠貼合效果對(duì)比Fig.6 Air bonding VS optical bonding

3.3.2 AR(抗反射)+AF(防指紋)設(shè)計(jì)方案

普通的CTP蓋板的反射率在4%左右，但對(duì)于汽車產(chǎn)品，這樣的反射率是無(wú)法接受的。如當(dāng)外界光線照射到屏表面并可能反射到人眼，這樣就會(huì)出現(xiàn)安全隱患，且更高的反射率會(huì)降低LCD的顯示性能，會(huì)出現(xiàn)駕駛員無(wú)法識(shí)別出顯示信息的問題。

抗反射膜,也稱為增透膜、減反射膜、低反射膜?？狗瓷淠な窃诠鈱W(xué)元件(如透鏡、CG等)上鍍制一層或是多層膜，利用薄膜的干涉相消來(lái)減少反射光。減反膜的原理如圖7。其中n0是空氣的折射率，n1為減反膜的折射率，ng為cover玻璃的折射率。當(dāng)膜層折射率滿足如下兩個(gè)條件，反射率為零，實(shí)現(xiàn)減反射效果。

(2)

(3)

另外，人手會(huì)出汗或有油污，若蓋板表面不做處理，多次使用CTP后就會(huì)有沾污殘留，并影響顯示效果。這樣需在蓋板表面增加AF(防指紋)膜，這樣蓋板上不容易殘留沾污。

圖7 減反膜減反原理Fig.7 How AR film work

3.4 多點(diǎn)觸控實(shí)現(xiàn)

圖8為實(shí)現(xiàn)4點(diǎn)觸控的示意圖。圖中可見驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)單元之間形成邊緣電容，而行列交叉重疊處會(huì)產(chǎn)生耦合電容，所以只要檢測(cè)這兩個(gè)電容的容值變化就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控。

圖8 多點(diǎn)觸控實(shí)現(xiàn)Fig.8 Multi-touch

3.5 ESD和EMS性能提升

車載產(chǎn)品對(duì)于ESD，EMS的要求相對(duì)較高，ESD一般要求通過(guò)空氣放電±15 kV，接觸放電±8 kV，EMS要求通過(guò)IR01和IR05的測(cè)試。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)整改，增加EMI濾波電路，增加屏蔽措施，增加磁環(huán)等，最終測(cè)試結(jié)果可以通過(guò)汽車產(chǎn)品的要求。圖9為4.2 in(1 in=2.54 cm) Oncell實(shí)際的測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試條件測(cè)試模式測(cè)試頻率范圍測(cè)試結(jié)果結(jié)果判定IR0128401NOS02＿5/IR01＿200V/MCW200MHz～2GHzAPASSAM200MHz～800MHzAPASSPM800MHz～2GHzAPASSIR0612W(level1)10W(level2)12W(level1)10W(level2)CWPM223MHz～510MHzBPASS735MHz～835MHzBPASS223MHz～510MHzBPASS735MHz～835MHzBPASSESDARCD+/-15kV-APASS+/-15kV-APASS+/-8kV-APASS+/-8kV-APASS

圖9 ESD和EMI測(cè)試結(jié)果
Fig.9 Test result of ESD and EMI

4 結(jié) 論

車載觸摸面板有特殊的技術(shù)要求，如可戴著手套輸入、防反射、防指紋等性能及高可靠性、高穩(wěn)定性及安全性要求。Oncell觸控技術(shù)在觸摸感應(yīng)膜層圖案設(shè)計(jì)、Oncell全貼合設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料等方面取得了突破，解決了符合車載級(jí)應(yīng)用的Oncell觸摸顯示的技術(shù)問題。Oncell觸控產(chǎn)品可以支持3點(diǎn)以上觸控，支持戴手套操作，通過(guò)頭部撞擊試驗(yàn)，其表面反射率低于3%，線性度為±1.5 mm，最新開發(fā)的Oncell觸控技術(shù)經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以滿足車載產(chǎn)品苛刻的要求。為Oncell觸摸技術(shù)在車載觸控領(lǐng)域的推廣提供了可能。

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Oncell touch panel technology in automotive

CHEN Xuan, YE Jia-cong

(TianmaMicro-electronicsCo.,LTD. ,Shenzhen518118,China)

Oncell touch panel technology is a new technology of touch panel which touch sensor is integrated on the surface of LCD.Compared with outcell touch panel,oncell touch panel is thinner,lighter and easier to produce.New technology, such as single layer multi-touch capacitor touch panel，PMMA+PC cover， AR，AF film and optical bonding etc. are used in Oncell touch panel. Oncell touch panel can match different LCD driving method.Oncell touch panel can run regularly in rugged environment such as complex electromagnetic environment,strong sunlight,high and low temperature.Finally,the new technology of Oncell touch panel can support up than 3 point touch,glove touch and head impacted test.The surface reflectance is lower than 3%, and linearity is ±1.5 mm.The Oncell touch panel solved the key technical problems and can pass the automotive test.Thus Oncell touch technology will be the most important technology of automotive.

Oncell; automotive; touch technology; all joint; head impact；CTP

王永青(1988-)，女，河北石家莊人，碩士，工程師，主要從事混合液晶材料的研究與開發(fā)。E-mail：yqwang@163.com

2014-10-15；

2014-11-06.

深圳市新一代專業(yè)顯示技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)建設(shè)項(xiàng)目(深發(fā)改[2014]1823號(hào))；薄膜晶體管(TFT)關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)(深科技創(chuàng)新(2014)96號(hào))；新型顯示平用高端TFT-LCD顯示模組的產(chǎn)業(yè)化(深發(fā)改(2014)722號(hào))

1007-2780(2015)03-0410-06

TP394.1；TH691.9

A

10.3788/YJYXS20153003.0410

*通信聯(lián)系人，E-mail：xuan_chen@tianma.cn