感测器与玻璃基板助力触控面板模组厚度锐减

　　自2011年以来，智慧手机和平板电脑的平均设备厚度每年约减少20%。虽然行动设备的实际尺寸和形状各异，但轻、薄、时尚依然是其设计要旨。

　　半导体、电子封装、记忆体容量、射频(RF)通讯元件和显示模组的技术进步，让工业设计人员能大幅提高行动设备的功能密度。显然地，结构材料的选择，对于减少设备的厚度和重量至关重要，如今设计人员已将电池、液晶显示模组(LCDM)和触控面板模组(TPM)视为减少设备厚度和重量的关键。

　　目前设计人员正在利用锂离子电池较高的能量密度，于不牺牲电池续航时间的前提下，轻鬆减少电池厚度;此外更薄的薄膜电晶体(TFT)玻璃基板也帮助减少现代液晶显示模组的厚度。

　　有趣的是，触控面板模组也能帮助工业设计人员减少玻璃基板的厚度。但是，人们对于更薄的保护玻璃基板耐用性，以及其与氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)或其他金属氧化物等透光导体所製成的电容触控感测器仍有疑虑。

　　而今，爱特梅尔(Atmel)新颖的软性触控电路设计及工艺，与康宁超薄化学强化玻璃技术的结合，能够有效消除大众对于新型超薄触控面板模组的电气/机械功能的担忧。

　　本文将分别描述Atmel XSense薄膜式电容触控感测器和0.4毫米厚Corning Gorilla Glass的主要产品属性，以及上述产品对减少触控式萤幕厚度与重量的影响。

　　现今触控面板方桉面临窄边框设计挑战

　　触控式萤幕的外型尺寸在一定程度上是由触控面板决定，因为电容触控感测器的讯号走线占据大部分边缘。当今电容触控感测器所採用的主流技术之所以是ITO，原因是其透光率高。

　　但是，ITO有一个很大的缺点，其薄膜电阻很高，每单位面积电阻介于50?340欧姆(Ω)之间;也就是说，触控感测器阵列中的电极拥有较高电阻，因此必须使用额外的感测讯号走线，才能确保达到令人满意的性能。

　　虽然触控模组上的保护玻璃主要用于提供实体使用者介面，不过同时也肩负隐藏这些宽感测讯号线的任务。例如，图1中10.1吋平板电脑的显示玻璃，其中近三分之一的保护玻璃表面被边框区域占据。因此，系统设计人员必须放宽机构设计，才能容纳更大的保护玻璃，即使设备并不需要这些多馀的空间。然而这些多馀的空间将增加设备的重量和成本，且未能带给终端用户任何效益。

　　图1:ITO双边讯号走线示意图

　　但如果开发人员能将10.1吋平板电脑各侧的边缘减少1公分，触控表面的利用率就能从67%提高到80%以上。

　　同时，在玻璃厚度相同的情况下，触控感测器重量也能减少近20%(假设玻璃厚度相同)，而且机构的尺寸和重量也将相应减少。

　　除了双边走线外，GFF感测器的讯号走线还採用网版印刷印製，间距通常限制在100微米(μm)，定位公差为300微米。

　　用于製作ITO薄膜感测器的网版印刷会形成较宽的走线和接续导线，加上需要双边走线设计及电极，这些因素将大大增加感测器边缘宽度。

　　因此，在最常用的触控感测器中，GFF ITO感测器的边缘通常最宽。OGS製程由于具有规模经济优势，被业界视为製造价格适中的高性能触控面板解决方桉。儘管如此，新兴的上盖保护玻璃设计元素和技术在易製造性和电气设计领域仍对OGS电路构成挑战。

　　值得注意的是，虽然OGS在玻璃基板上能支援细线路走线和窄间距，但这种电路依赖双边走线、较宽的接续导线和保护玻璃成型公差;即便走线间距可能更窄，但这些设计项目仍增加了OGS的边缘总宽度。

　　此外，OGS製程可能会限制触控面板边缘的颜色选择，乃因有机油墨在ITO溅镀製程时会暴露于高温之下，使颜色产生变化，所以OGS必须採用标准型的黑色油墨。

　　新型XSense电容触控感测器则没有上述限制，用户採用XSense电容触控感测器和Corning Gorilla超薄抗刮玻璃製作的触控模组，可享有极佳的电气性能和窄边框特点，同时也拥有极高的机械设计灵活性，包括彩色边框的选择和曲面触控面板设计。

　　满足大萤幕/小尺寸需求　金属网格触控技术崛起

　　为了满足市场对窄边框触控感测器的需求，市场上出现一些新技术，它们拥有较低的薄膜电阻和很小的定位公差，可减少边缘处的感测器走线空间。新型XSense电容触控感测器即具备上述特点。

　　XSense是一个铜製金属网格，其薄膜面电阻小于10欧姆(Ω/sq)，远远小于其他触控感测器材料，而较低的薄膜面电阻即使在较大的触控感测器上也能支援单边走线。因此与ITO相比，XSense可将所需走线数量减少一半，从而大幅缩减走线所占据的空间。

　　此外，XSense的走线间距要比一般ITO银线窄30%，目前的间距为70微米(30微米的走线，40微米的间隙)，很快将会发展到40微米。

　　XSense的目标应用是窄边框的工业设计，期能在LCD显示区域和保护玻璃边缘之间实现小于5毫米的边框宽度，有了这样的窄边框设计，设计人员就能将更大的显示器放入更小的机构中，以便最大程度利用萤幕显示区域，并将周边系统的尺寸/重量降至最低。

　　XSense细线路製作採用光刻式的沉积技术，走线与电极的製作同时进行，并能达到30微米宽的接续电极及更小的走线间距。凭藉更精准的製造技术和更好的电气特性，XSense金属网格触控感测器技术有助于打造萤幕更大、尺寸更小的产品设计，同时又不牺牲触控性能。

　　新型保护玻璃突破厚度/抗磨损性能瓶颈

　　触控感测器叠层(图2)由保护玻璃、50 ?100微米的聚合物薄膜、光学胶(OCA)(~25微米)和一个有图桉的导电层(<<1微米)构成。

　　图2:各式触控面板感测器叠层示意图

　　虽然图2未按比例显示，但可以很明显的看出保护玻璃对于触控感测器叠层的厚度影响最大。然而，减少保护玻璃的厚度存在两大风险，分别是耐用性和多点触控性能。有鑑于此，康宁利用熔融溢流下拉式技术，生产出宽度大于3公尺、厚度小于人类头髮直径且厚度公差极小的玻璃基板。目前，最薄的第三代Corning Gorilla Glass(GG3)产品仅有0.4毫米厚，而这种超薄玻璃与较常见且较厚的第三代Corning Gorilla Glass的热、化学、光学和物理属性完全相同。

　　此外，开发人员对这种超薄的Corning Gorilla Glass进行化学强化处理，使其达到0.8GPa以上的抗压应力和35微米以上的强化深度，同时也让消费者和原始设备製造商(OEM)看重康宁专有NDR技术和维持玻璃强度的属性。

　　Corning Gorilla Glass产品上述特性可减少刮伤，而且能够在玻璃表面受损后继续展现较高的维持强度。与0.7毫米厚的普通保护玻璃相比，这种更薄的Corning Gorilla Glass产品能够将触控感测器模组的厚度大幅减少43%，同时又不牺牲玻璃的机械可靠性。

　　表1显示测试0.4毫米厚第三代Corning Gorilla Glass抗磨损能力的不同方法。在表1中，玻璃表面被硬度计压头施加一定的负荷产生表面损伤。

　　随着负荷增加，玻璃会产生横向裂纹，此时所得的参数即玻璃损伤临界值。表1中即列出0.4毫米厚Corning Gorilla Glass和化学强化钠钙玻璃(SLG)的划痕和压痕损伤临界值。

　　虽然抗磨损能力对于Corning Gorilla Glass而言很重要，但实验证明，维持强度对于OEM和终端用户而言亦是不可或缺的。因此爱特梅尔与康宁根据美国材料试验协会(ASTM)标准C1499的第三种方法测试玻璃在受损后的维持强度，该测试使用硬度计压头或金刚砂刻意造成玻璃损伤，并依据C149标准对其施加双轴负荷，直到样本断裂为止。

　　表2整理了测试保护玻璃耐用性的指标，其中包括四点弯曲断裂模数。该表对比0.4毫米厚Corning Gorilla Glass和一些厚度更大的玻璃样本，含先前量产的玻璃产品。

　　如表2所示，0.4毫米厚第三代Corning Gorilla Glass优于厚度更大的化学强化钠钙玻璃，并与前代产品(GG2)相近，因此确认该产品的坚固耐用性。

　　除了机械强度之外，较薄的保护玻璃还存在一些电气性能问题，其中最常见的就是指尖传导效应，有时也被称为「鬼影效应」(图3)。该指尖传导效应大多发生在设备处于浮动电气状态，如用户已拔掉电源插头，将设备放在桌面上时。

　　图3:多点触控指尖传导效应

　　如图3，使用者在萤幕上触摸两个或更多触控点时，来自一条感测器线路的讯号脉冲便会通过用户手指传送少量电荷，并将电荷存放到另一电极上，而这些额外的电荷会产生Anti-Touch效应，这种效应可视为一个较强的反向触控讯号。使用者操作时，若存在Anti-Touch效应的某区域碰巧遇到一次真实的触控操作时，这些讯号将相互抵消，讯噪比(SNR)将大幅下降;如果虚假的反向触控讯号够强，将会导致触控检测失效。

　　对ITO GFF或GF2的触控面板而言，反向触控讯号的幅度会随保护玻璃变薄而不断升高，最终将导致SNR和多点触控性能大幅下降。

　　OGS单片式玻璃触控面板是以ITO做为感测材料，且与ITO GFF和其他ITO的薄膜感测器一样，易受多点触控指尖传导影响。虽然OGS製作工艺非常成熟，但它在大尺寸或曲面式面板应用时，仍会遇到提高ITO导电率或减少导电氧化物模数等许多挑战，因此OGS触控面板将仅限于对角线长度不超过13吋的平面模组设计。

　　相形之下，结合使用XSense金属网格感测器材料和Corning Gorilla Glass能够有效解决多点触控重传问题，同时又不牺牲耐用性、性能和设计灵活性。Corning Gorilla Glass较高的介电常数，外加Atmel XSense独特的感测器设计可大幅削弱指尖电荷传导导致的Anti-Touch效应。

　　上述属性结合实现此前触控面板不可能实现的SNR，此外XSense结合Corning Gorilla Glass的贴合技术，并不因工作环境温度而限制玻璃边框颜色选择，可超越碳黑色油墨的限制。由于XSense感测器的薄膜面电阻不受薄膜弯折度的影响，因此可轻鬆适用于曲率半径较小的弧形，或具有特殊曲度的玻璃表面。

　　金属网格触控感测器技术、薄膜基板、金属沉积技术，以及玻璃成分和成型技术的进步，让设计人员能够在不牺牲性能的情况下，大幅减少触控面板叠层的厚度。

　　触控模组不仅是设备与使用者的主要介面，通常还要以它为主来设计设备其馀部分。幸运的是，XSense和Corning Gorilla Glass可协助系统设计人员，满足市场对消费电子设备轻薄时尚的需求。第三代Corning Gorilla保护玻璃可兼具极高透光率和消费电子产业所要求的耐用性。

　　XSense是市场上唯一的单层50微米薄膜感测器，其发射端和接收端电路图桉位于该PET层的两侧，因此能够进一步减少感测器叠层的厚度。这种配置不仅大幅改善传输(TX)与接收(RX)电极的定位公差，若与0.7亳米的OGS相比，XSense与较薄的玻璃结合时，能将感测器叠层的厚度减少约32%。

　　由于XSense金属网格感测器技术拥有比ITO更一致的触控性能，因此可大幅减少导致Anti-Touch讯号的杂散电荷。即便XSense金属网格感测器与很薄的上盖保护玻璃配合使用，该产品的多点触控性能也不会受到指尖传导效应太大影响。

　　康宁和爱特梅尔透过新技术，正帮助工业设计人员将行动设备的设计美学推向新层次，这些产品最终将能协助设备製造商打造更便于携带、更加美观的产品，以吸引多变的消费者。