桂詩信 孫 勇 王 杰 徐業(yè)飛

（中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

軍用特種穿戴顯示器所處的工作環(huán)境溫度較高、紫外線輻射強，易使人體感到不適，甚至會造成皮膚病變；如何將熱源屏蔽在觸摸穿戴顯示器外部，不因熱源與太陽輻射進入顯示器內部而導致溫度上升是重要的研究課題。雖然已有將隔熱紙貼覆于玻璃外表面的解決方案，但是隔熱紙的粘貼品質取決于工藝手法，其品質不易掌控。同時，使用時間過長也會導致隔熱紙出現(xiàn)破損或內部產生氣泡等缺陷。

眾所周知，傳統(tǒng)電容觸摸屏一般只包括蓋板玻璃、Sensor功能層，這類電容式觸摸屏內部都不具有隔熱、吸熱結構，在戶外使用該產品，特別是在特種穿戴顯示器設備上使用該產品，會使人體長期受到紅外線及紫外線的侵害，在特種高溫環(huán)境中，產品內部及表面的溫度都會不斷升高，觸摸屏表面的高溫會影響用戶的使用及體驗，而且隨著時間的不斷推移，紫外線會加速產品的老化，導致產品出現(xiàn)黃變、氣泡返彈等缺陷，從而縮短了產品的使用壽命。

該文分析理論并設計了一種新型隔熱電容觸摸屏；其整體透過率高，可以有效地切斷對人體有害的電子輻射、紫外線以及遠紅外線，從而起到防輻射的效果。在該基礎上進一步設計了一款特種觸摸顯示器并闡述了其主要技術原理、設計方案以及關鍵技術，為特種觸摸穿戴顯示器在極端環(huán)境下的使用提供了重要的技術支持[1-4]。

1 技術方案

1.1 顯示器組成和工作原理

OLED 顯示模塊式是某服裝配套終端控制界面和顯示用配套產品，主要運行控制終端GUI，可通過網(wǎng)絡播放中心計算機、攝像頭的視頻信號，按要求顯示畫面，OLED 顯示模塊外形圖如圖1 所示。OLED 顯示模塊包括OLED 屏組件、電路板組件和結構組件，如圖2 所示。

圖1 OLED 顯示模塊外形圖

圖2 顯示器組成示意圖

OLED 屏組件包括OLED 屏、觸摸屏等，OLED 屏為顯示介質，它是一種光電顯示器件，觸摸屏包括蓋板保護玻璃（抗輻射玻璃）、傳感器功能玻璃、ITO 屏蔽玻璃和2 層玻璃之間的光學膠；電路板組件包括產品背光亮度控制、溫度采集控制以及信號處理；結構組件包括面板、屏框架、后框架、蓋板及安裝支架等。

1.2 整體方案設計

總體設計是以OLED 顯示模塊的功能要求為基礎，合理分配硬件資源，搭建可以滿足OLED 顯示模塊功能要求的硬件平臺，實現(xiàn)模塊化設計、余度設計以及可靠性設計，電路總體設計如圖3 所示。

圖3 硬件功能框圖

從OLED 屏選型、光學強光可視等方面對光學指標進行總體設計并結合產品的整體加固設計，在保證技術指標的前提下，選取可靠性更高的整體加固方案并結合光學綁定設計，以降低OLED 顯示模塊在強光照射時的反射亮度，增加強光對比度，有利于乘員更加清晰地辨識OLED 顯示模塊上的信息。

2 關鍵技術分析及解決措施

2.1 觸摸屏設計

為滿足觸摸性能、抗輻射以及電磁兼容的要求，該電容觸摸屏在總體設計思路上采用G+G+G 的結構設計方案，第一層為蓋板玻璃，第二層為傳感器功能玻璃（上、下兩面分別為Rx電極層及走線、Tx電極層及走線），第三層為ITO屏蔽玻璃，以達到電磁屏蔽的目的，3 層玻璃之間通過厚度為0.2 mm 的光學膠進行全貼合[5-7]。各層組成如圖4 所示。

圖4 電容屏層疊結構示意圖

通過光學膠有效地將Sensor 功能片與蓋板玻璃、屏蔽玻璃粘接在一起，起到加強保護和固定的作用，相關措施如下：1） 選擇高透光性、耐高溫的OCA 光學膠。2） 通過定制專用的貼合夾具來滿足整體厚度的要求并對貼合尺寸進行控制。

2.2 隔熱觸摸屏蓋板玻璃設計

隔熱玻璃又叫低輻射玻璃，它是采用磁控真空濺射技術，在玻璃表面鍍9～20 層厚度為50 nm～300 nm 的金屬化合物膜涂層。涂層可以反射遠紅外輻射，有效降低玻璃的傳熱系數(shù)；還可以反射太陽中的熱輻射，有選擇地降低遮陽系數(shù)，且不會過多地限制可見光的穿透。它可以達到以下技術指標：1） 抗彎強度≥200 MPa。2） 在1 100 nm 的波長范圍內，透過率衰減率≤0.8%。3） 二次電子發(fā)射系數(shù)≤3.0。4） 耐熱沖擊溫度≥280 ℃。

將其作為觸摸屏的蓋板玻璃，此外，玻璃采用AG 處理（化學蝕刻），AG 玻璃的蝕刻深度僅為0.05 mm～0.07 mm，其特點是使原玻璃反光表面變?yōu)槁瓷浔砻妫乐寡９?，強光下可視。對經過AG 處理后的防眩玻璃進行化學強化處理，以增強玻璃的強度和表面抗劃傷的性能?；瘜W蝕刻型AG 玻璃表面光學參數(shù)如下：霧度為8%～10%，粗糙度（Ra）＜0.12 μm，觸感更光滑，人機交互體驗更優(yōu)。通過光學膠水綁定觸摸Sensor 功能片，達到抗輻射隔熱玻璃和觸摸屏二合一的效果，一方面起到保護和加固觸摸屏功能片的作用，另一方面切斷對人體有害的電子輻射、紫外線以及遠紅外線，達到防輻射的效果[8-10]。

2.3 溫度采集設計

航天環(huán)境較為復雜多變，為了實現(xiàn)對環(huán)境溫度的監(jiān)控以及方便對OLED 顯示模塊工作模式進行控制，OLED 顯示模塊內置多個溫度傳感器實時檢測OLED 顯示模塊關鍵部件的環(huán)境溫度，以此判斷芯片工作狀態(tài)是否良好并根據(jù)環(huán)境溫度調節(jié)主要芯片的工作模式。

使用的傳感器為電阻型的高精度溫度傳感器，通過運算放大反饋電路，將其溫度的變化轉換為電壓值的變化（溫度傳感器采樣電路框圖如圖5 所示），然后通過AD 轉換上報給控制器，通過控制器對溫度進行調節(jié)與控制。

圖5 溫度傳感器采樣電路

2.4 自檢設計

自檢設計是為了監(jiān)控產品的狀態(tài)、提高產品的測試性，確保產品達到規(guī)定的測試性要求，提高產品的戰(zhàn)備完好性和任務成功性，降低對維修人力和其他資源的要求和壽命周期費用并為管理提供必要的信息。

OLED 顯示模塊的故障模式框圖如圖6 所示。根據(jù)故障模式框圖，自檢電路包括以下3 個方面的內容。

圖6 OLED 顯示模塊的故障模式框圖

2.4.1 外部電源自檢

外部輸入的電源自檢主要檢測電源電壓是否在工作范圍內或是否斷電，當電源電壓低于預設的范圍或電源斷電時，可檢測到的瞬間的電壓跌落被MCU 快速記錄并通過通信電路上傳至電路板。

2.4.2 網(wǎng)絡和RS485故障

千兆網(wǎng)絡與中心計算機之間一直都在進行報文傳遞，當網(wǎng)絡故障時，RK3399 可在一定時間內根據(jù)網(wǎng)絡芯片的工作狀態(tài)判斷網(wǎng)絡是否故障并及時通過RS485 上報至中心計算機。同理，RS485 通信故障也可以通過網(wǎng)絡上報至中心計算機。

2.4.3 OLED 屏故障

RK3399 與OLED 屏通過MIPI 接口相連，每時每刻均存在數(shù)據(jù)交互，當OLED 屏出現(xiàn)故障時，可通過OLED 驅動芯片寄存器偵測故障狀態(tài)。

2.5 導熱設計

在真空環(huán)境下，OLED 顯示屏表面所受到的熱量來源主要以熱輻射為主，其次就是自身的工作熱量。因此，需要在OLED 顯示屏與結構面板之間增加一種具備導電、導熱和緩沖效果的材料，對OLED 顯示屏組件進行隔熱固定處理，從而恒定OLED 顯示屏的表面溫度。使用一種扁平狀導熱泡棉作為OLED 顯示屏與面板之間的導電緩沖材料，如圖7 所示。

圖7 導電隔熱泡棉橫截面示意圖

該導電泡棉外部為環(huán)形導電布層，內部為導電泡棉。導電布層可使濾光片與面板之間有良好的導電性能，以達到電磁屏蔽的效果；導電泡棉內部的泡棉有導熱和減震緩沖的作用，可有效降低OLED 顯示屏的熱量和所受到的沖擊力。

顯示器主要熱源為OLED 顯示屏自身的工作熱量、芯片的熱量，針對OLED 顯示屏導熱設計，使用厚度約為0.3 mm、導熱系數(shù)約為1.5 W/m·K 的導熱墊片作為OLED 顯示屏和結構件之間的熱傳導介質。該導熱墊片粘接性能較強，可將OLED 牢靠地固定在結構件上，以達到快速散熱的效果[11]。

通過理論分析并結合熱仿真分析可以證明，該產品的耐熱設計方案合理、可行，能滿足OLED 顯示模塊的使用要求。

2.6 機械接口設計

OLED 顯示模塊正面設計安裝了托架，其上下設計有宇航服裝配所需要的4 個安裝孔。OLED 顯示模塊通過設計的2 個扭力轉軸使OLED 顯示模塊沿上、下2 個方向旋轉。需要旋轉時，操作人員向前搬動OLED 顯示模塊，OLED 顯示模塊在扭力轉軸的阻力下繞2 個扭力轉軸進行旋轉，可方便且平穩(wěn)地轉動到工作狀態(tài)位置。用戶裝配完成展開示意圖如圖8 所示。

圖8 用戶裝配完成展開示意圖

2.7 抗振動、沖擊設計

2.7.1 OLED 顯示屏組件抗振性設計

OLED 顯示屏的薄板結構形態(tài)導致其對顯示方向的振動非常敏感，而環(huán)境的強烈振動會嚴重影響OLED 顯示屏的圖像顯示質量。對該項目來說，由于該產品的顯示尺寸較大，振動環(huán)境對OLED 顯示屏的影響尤為明顯。因此，需要對OLED 顯示屏進行抗振設計，以提高其抗振性能。

OLED 顯示屏由振動引起的應力與加速度成正比，共振引起的放大效應會增大應力。因此，OLED 顯示屏的應力與振動頻率的關系取決于外部環(huán)境的振動頻率，如圖9 所示。

系統(tǒng)固有頻率頻率公式如公式（1）所示。

式中：C為剛度；M為質量。

分析圖9 可知，當阻尼系數(shù)s一定且f/f0大于1.25 時，物體振動強度才會減小，可達到減振的目的，減小固有頻率f0是有必要的。因此，結合公式（1）可以減小剛度以及增大顯示組件的質量；當f/f0一定時，增大阻尼系數(shù)s可以達到減振的目的。

圖9 單自由度強迫振動系統(tǒng)響應圖譜

綜上所述，可以從3 個方面對OLED 顯示屏進行抗振設計：使用剛性小的柔性材料進行安裝固定、增加OLED 顯示屏組件的自重以及增大減振系統(tǒng)的阻尼。

該項目采用在OLED 顯示屏四周添加具有阻尼作用的特殊材料來隔離固定，以減小支撐環(huán)節(jié)的剛性；采用兩面復合加固玻璃的方法提高OLED 顯示屏自身的質量并提高OLED 顯示屏組件的抗彎曲、應變能力，減少應力集中的現(xiàn)象，降低OLED 顯示屏的固有頻率。

2.7.2 電路板組件抗振性設計

電路板組件是OLED 顯示模塊的控制器，也是模塊的核心組件，因此，提高電路板組件的抗振性是非常必要的。對整個OLED 顯示模塊、電路板的實際情況進行分析，其在非垂直于屏的方向，即X方向以及Z方向上電路板的尺寸較小，小于2 mm，因此在振動環(huán)境下這2 個方向不會出現(xiàn)破壞性變形；在垂直于屏的方向，即Y方向上，通過螺釘固定的方式將電路板固定在背光框架上，并且其固定點位于背光框架加強筋上，可以增加電路板的剛度強度。電路板與OLED顯示屏對插部分采用剛柔板的連接方式，插件固定于結構件上，降低電路板主體帶來的振動影響。

3 結語

針對特種觸摸顯示器的應用情況，該文設計了一種新型隔熱電容觸摸屏，在該基礎上進一步設計了一款特種觸摸顯示器并闡述了其主要技術原理、設計方案以及關鍵技術，為特種觸摸穿戴顯示器在航天極端環(huán)境下的使用提供了重要的技術支持。