自2011年以來，智慧手機(jī)和平板電腦的平均設(shè)備厚度每年約減少20%。雖然行動設(shè)備的實(shí)際尺寸和形狀各異，但輕、薄、時尚依然是其設(shè)計要旨。

　　半導(dǎo)體、電子封裝、記憶體容量、射頻(RF)通訊元件和顯示模組的技術(shù)進(jìn)步，讓工業(yè)設(shè)計人員能大幅提高行動設(shè)備的功能密度。顯然地，結(jié)構(gòu)材料的選擇，對于減少設(shè)備的厚度和重量至關(guān)重要，如今設(shè)計人員已將電池、液晶顯示模組(LCDM)和觸控面板模組(TPM)視為減少設(shè)備厚度和重量的關(guān)鍵。

　　目前設(shè)計人員正在利用鋰離子電池較高的能量密度，于不犧牲電池續(xù)航時間的前提下，輕鬆減少電池厚度;此外更薄的薄膜電晶體(TFT)玻璃基板也幫助減少現(xiàn)代液晶顯示模組的厚度。

　　有趣的是，觸控面板模組也能幫助工業(yè)設(shè)計人員減少玻璃基板的厚度。但是，人們對于更薄的保護(hù)玻璃基板耐用性，以及其與氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)或其他金屬氧化物等透光導(dǎo)體所製成的電容觸控感測器仍有疑慮。

　　而今，愛特梅爾(Atmel)新穎的軟性觸控電路設(shè)計及工藝，與康寧超薄化學(xué)強(qiáng)化玻璃技術(shù)的結(jié)合，能夠有效消除大眾對于新型超薄觸控面板模組的電氣/機(jī)械功能的擔(dān)憂。

　　本文將分別描述Atmel XSense薄膜式電容觸控感測器和0.4毫米厚Corning Gorilla Glass的主要產(chǎn)品屬性，以及上述產(chǎn)品對減少觸控式螢?zāi)缓穸扰c重量的影響。

　　現(xiàn)今觸控面板方桉面臨窄邊框設(shè)計挑戰(zhàn)

　　觸控式螢?zāi)坏耐庑统叽缭谝欢ǔ潭壬鲜怯捎|控面板決定，因?yàn)殡娙萦|控感測器的訊號走線占據(jù)大部分邊緣。當(dāng)今電容觸控感測器所採用的主流技術(shù)之所以是ITO，原因是其透光率高。

　　但是，ITO有一個很大的缺點(diǎn)，其薄膜電阻很高，每單位面積電阻介于50?340歐姆(Ω)之間;也就是說，觸控感測器陣列中的電極擁有較高電阻，因此必須使用額外的感測訊號走線，才能確保達(dá)到令人滿意的性能。

　　雖然觸控模組上的保護(hù)玻璃主要用于提供實(shí)體使用者介面，不過同時也肩負(fù)隱藏這些寬感測訊號線的任務(wù)。例如，圖1中10.1吋平板電腦的顯示玻璃，其中近三分之一的保護(hù)玻璃表面被邊框區(qū)域占據(jù)。因此，系統(tǒng)設(shè)計人員必須放寬機(jī)構(gòu)設(shè)計，才能容納更大的保護(hù)玻璃，即使設(shè)備并不需要這些多馀的空間。然而這些多馀的空間將增加設(shè)備的重量和成本，且未能帶給終端用戶任何效益。

　　圖1:ITO雙邊訊號走線示意圖

　　但如果開發(fā)人員能將10.1吋平板電腦各側(cè)的邊緣減少1公分，觸控表面的利用率就能從67%提高到80%以上。

　　同時，在玻璃厚度相同的情況下，觸控感測器重量也能減少近20%(假設(shè)玻璃厚度相同)，而且機(jī)構(gòu)的尺寸和重量也將相應(yīng)減少。

　　除了雙邊走線外，GFF感測器的訊號走線還採用網(wǎng)版印刷印製，間距通常限制在100微米(μm)，定位公差為300微米。

　　用于製作ITO薄膜感測器的網(wǎng)版印刷會形成較寬的走線和接續(xù)導(dǎo)線，加上需要雙邊走線設(shè)計及電極，這些因素將大大增加感測器邊緣寬度。

　　因此，在最常用的觸控感測器中，GFF ITO感測器的邊緣通常最寬。OGS製程由于具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，被業(yè)界視為製造價格適中的高性能觸控面板解決方桉。儘管如此，新興的上蓋保護(hù)玻璃設(shè)計元素和技術(shù)在易製造性和電氣設(shè)計領(lǐng)域仍對OGS電路構(gòu)成挑戰(zhàn)。

　　值得注意的是，雖然OGS在玻璃基板上能支援細(xì)線路走線和窄間距，但這種電路依賴雙邊走線、較寬的接續(xù)導(dǎo)線和保護(hù)玻璃成型公差;即便走線間距可能更窄，但這些設(shè)計項(xiàng)目仍增加了OGS的邊緣總寬度。

　　此外，OGS製程可能會限制觸控面板邊緣的顏色選擇，乃因有機(jī)油墨在ITO濺鍍製程時會暴露于高溫之下，使顏色產(chǎn)生變化，所以O(shè)GS必須採用標(biāo)準(zhǔn)型的黑色油墨。

　　新型XSense電容觸控感測器則沒有上述限制，用戶採用XSense電容觸控感測器和Corning Gorilla超薄抗刮玻璃製作的觸控模組，可享有極佳的電氣性能和窄邊框特點(diǎn)，同時也擁有極高的機(jī)械設(shè)計靈活性，包括彩色邊框的選擇和曲面觸控面板設(shè)計。

　　滿足大螢?zāi)?小尺寸需求　金屬網(wǎng)格觸控技術(shù)崛起

　　為了滿足市場對窄邊框觸控感測器的需求，市場上出現(xiàn)一些新技術(shù)，它們擁有較低的薄膜電阻和很小的定位公差，可減少邊緣處的感測器走線空間。新型XSense電容觸控感測器即具備上述特點(diǎn)。

　　XSense是一個銅製金屬網(wǎng)格，其薄膜面電阻小于10歐姆(Ω/sq)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他觸控感測器材料，而較低的薄膜面電阻即使在較大的觸控感測器上也能支援單邊走線。因此與ITO相比，XSense可將所需走線數(shù)量減少一半，從而大幅縮減走線所占據(jù)的空間。

　　此外，XSense的走線間距要比一般ITO銀線窄30%，目前的間距為70微米(30微米的走線，40微米的間隙)，很快將會發(fā)展到40微米。

　　XSense的目標(biāo)應(yīng)用是窄邊框的工業(yè)設(shè)計，期能在LCD顯示區(qū)域和保護(hù)玻璃邊緣之間實(shí)現(xiàn)小于5毫米的邊框?qū)挾?，有了這樣的窄邊框設(shè)計，設(shè)計人員就能將更大的顯示器放入更小的機(jī)構(gòu)中，以便最大程度利用螢?zāi)伙@示區(qū)域，并將周邊系統(tǒng)的尺寸/重量降至最低。

　　XSense細(xì)線路製作採用光刻式的沉積技術(shù)，走線與電極的製作同時進(jìn)行，并能達(dá)到30微米寬的接續(xù)電極及更小的走線間距。憑藉更精準(zhǔn)的製造技術(shù)和更好的電氣特性，XSense金屬網(wǎng)格觸控感測器技術(shù)有助于打造螢?zāi)桓?、尺寸更小的產(chǎn)品設(shè)計，同時又不犧牲觸控性能。

　　新型保護(hù)玻璃突破厚度/抗磨損性能瓶頸

　　觸控感測器疊層(圖2)由保護(hù)玻璃、50 ?100微米的聚合物薄膜、光學(xué)膠(OCA)(~25微米)和一個有圖桉的導(dǎo)電層(<<1微米)構(gòu)成。

　　圖2:各式觸控面板感測器疊層示意圖

　　雖然圖2未按比例顯示，但可以很明顯的看出保護(hù)玻璃對于觸控感測器疊層的厚度影響最大。然而，減少保護(hù)玻璃的厚度存在兩大風(fēng)險，分別是耐用性和多點(diǎn)觸控性能。有鑑于此，康寧利用熔融溢流下拉式技術(shù)，生產(chǎn)出寬度大于3公尺、厚度小于人類頭髮直徑且厚度公差極小的玻璃基板。目前，最薄的第三代Corning Gorilla Glass(GG3)產(chǎn)品僅有0.4毫米厚，而這種超薄玻璃與較常見且較厚的第三代Corning Gorilla Glass的熱、化學(xué)、光學(xué)和物理屬性完全相同。

　　此外，開發(fā)人員對這種超薄的Corning Gorilla Glass進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化處理，使其達(dá)到0.8GPa以上的抗壓應(yīng)力和35微米以上的強(qiáng)化深度，同時也讓消費(fèi)者和原始設(shè)備製造商(OEM)看重康寧專有NDR技術(shù)和維持玻璃強(qiáng)度的屬性。

　　Corning Gorilla Glass產(chǎn)品上述特性可減少刮傷，而且能夠在玻璃表面受損后繼續(xù)展現(xiàn)較高的維持強(qiáng)度。與0.7毫米厚的普通保護(hù)玻璃相比，這種更薄的Corning Gorilla Glass產(chǎn)品能夠?qū)⒂|控感測器模組的厚度大幅減少43%，同時又不犧牲玻璃的機(jī)械可靠性。

　　表1顯示測試0.4毫米厚第三代Corning Gorilla Glass抗磨損能力的不同方法。在表1中，玻璃表面被硬度計壓頭施加一定的負(fù)荷產(chǎn)生表面損傷。

　　隨著負(fù)荷增加，玻璃會產(chǎn)生橫向裂紋，此時所得的參數(shù)即玻璃損傷臨界值。表1中即列出0.4毫米厚Corning Gorilla Glass和化學(xué)強(qiáng)化鈉鈣玻璃(SLG)的劃痕和壓痕損傷臨界值。

　　雖然抗磨損能力對于Corning Gorilla Glass而言很重要，但實(shí)驗(yàn)證明，維持強(qiáng)度對于OEM和終端用戶而言亦是不可或缺的。因此愛特梅爾與康寧根據(jù)美國材料試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)C1499的第三種方法測試玻璃在受損后的維持強(qiáng)度，該測試使用硬度計壓頭或金剛砂刻意造成玻璃損傷，并依據(jù)C149標(biāo)準(zhǔn)對其施加雙軸負(fù)荷，直到樣本斷裂為止。

　　表2整理了測試保護(hù)玻璃耐用性的指標(biāo)，其中包括四點(diǎn)彎曲斷裂模數(shù)。該表對比0.4毫米厚Corning Gorilla Glass和一些厚度更大的玻璃樣本，含先前量產(chǎn)的玻璃產(chǎn)品。

　　如表2所示，0.4毫米厚第三代Corning Gorilla Glass優(yōu)于厚度更大的化學(xué)強(qiáng)化鈉鈣玻璃，并與前代產(chǎn)品(GG2)相近，因此確認(rèn)該產(chǎn)品的堅(jiān)固耐用性。

　　除了機(jī)械強(qiáng)度之外，較薄的保護(hù)玻璃還存在一些電氣性能問題，其中最常見的就是指尖傳導(dǎo)效應(yīng)，有時也被稱為「鬼影效應(yīng)」(圖3)。該指尖傳導(dǎo)效應(yīng)大多發(fā)生在設(shè)備處于浮動電氣狀態(tài)，如用戶已拔掉電源插頭，將設(shè)備放在桌面上時。

　　圖3:多點(diǎn)觸控指尖傳導(dǎo)效應(yīng)

　　如圖3，使用者在螢?zāi)簧嫌|摸兩個或更多觸控點(diǎn)時，來自一條感測器線路的訊號脈沖便會通過用戶手指傳送少量電荷，并將電荷存放到另一電極上，而這些額外的電荷會產(chǎn)生Anti-Touch效應(yīng)，這種效應(yīng)可視為一個較強(qiáng)的反向觸控訊號。使用者操作時，若存在Anti-Touch效應(yīng)的某區(qū)域碰巧遇到一次真實(shí)的觸控操作時，這些訊號將相互抵消，訊噪比(SNR)將大幅下降;如果虛假的反向觸控訊號夠強(qiáng)，將會導(dǎo)致觸控檢測失效。

　　對ITO GFF或GF2的觸控面板而言，反向觸控訊號的幅度會隨保護(hù)玻璃變薄而不斷升高，最終將導(dǎo)致SNR和多點(diǎn)觸控性能大幅下降。

　　OGS單片式玻璃觸控面板是以ITO做為感測材料，且與ITO GFF和其他ITO的薄膜感測器一樣，易受多點(diǎn)觸控指尖傳導(dǎo)影響。雖然OGS製作工藝非常成熟，但它在大尺寸或曲面式面板應(yīng)用時，仍會遇到提高ITO導(dǎo)電率或減少導(dǎo)電氧化物模數(shù)等許多挑戰(zhàn)，因此OGS觸控面板將僅限于對角線長度不超過13吋的平面模組設(shè)計。

　　相形之下，結(jié)合使用XSense金屬網(wǎng)格感測器材料和Corning Gorilla Glass能夠有效解決多點(diǎn)觸控重傳問題，同時又不犧牲耐用性、性能和設(shè)計靈活性。Corning Gorilla Glass較高的介電常數(shù)，外加Atmel XSense獨(dú)特的感測器設(shè)計可大幅削弱指尖電荷傳導(dǎo)導(dǎo)致的Anti-Touch效應(yīng)。

　　上述屬性結(jié)合實(shí)現(xiàn)此前觸控面板不可能實(shí)現(xiàn)的SNR，此外XSense結(jié)合Corning Gorilla Glass的貼合技術(shù)，并不因工作環(huán)境溫度而限制玻璃邊框顏色選擇，可超越碳黑色油墨的限制。由于XSense感測器的薄膜面電阻不受薄膜彎折度的影響，因此可輕鬆適用于曲率半徑較小的弧形，或具有特殊曲度的玻璃表面。

　　金屬網(wǎng)格觸控感測器技術(shù)、薄膜基板、金屬沉積技術(shù)，以及玻璃成分和成型技術(shù)的進(jìn)步，讓設(shè)計人員能夠在不犧牲性能的情況下，大幅減少觸控面板疊層的厚度。

　　觸控模組不僅是設(shè)備與使用者的主要介面，通常還要以它為主來設(shè)計設(shè)備其馀部分。幸運(yùn)的是，XSense和Corning Gorilla Glass可協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計人員，滿足市場對消費(fèi)電子設(shè)備輕薄時尚的需求。第三代Corning Gorilla保護(hù)玻璃可兼具極高透光率和消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)所要求的耐用性。

　　XSense是市場上唯一的單層50微米薄膜感測器，其發(fā)射端和接收端電路圖桉位于該P(yáng)ET層的兩側(cè)，因此能夠進(jìn)一步減少感測器疊層的厚度。這種配置不僅大幅改善傳輸(TX)與接收(RX)電極的定位公差，若與0.7亳米的OGS相比，XSense與較薄的玻璃結(jié)合時，能將感測器疊層的厚度減少約32%。

　　由于XSense金屬網(wǎng)格感測器技術(shù)擁有比ITO更一致的觸控性能，因此可大幅減少導(dǎo)致Anti-Touch訊號的雜散電荷。即便XSense金屬網(wǎng)格感測器與很薄的上蓋保護(hù)玻璃配合使用，該產(chǎn)品的多點(diǎn)觸控性能也不會受到指尖傳導(dǎo)效應(yīng)太大影響。

　　康寧和愛特梅爾透過新技術(shù)，正幫助工業(yè)設(shè)計人員將行動設(shè)備的設(shè)計美學(xué)推向新層次，這些產(chǎn)品最終將能協(xié)助設(shè)備製造商打造更便于攜帶、更加美觀的產(chǎn)品，以吸引多變的消費(fèi)者。