УДК 621.382
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕНСОРНОГО ЕМКОСТНОГО ЭКРАНА
А. А. Демин, Д. С. Терентьев
Исследованы и проанализированы технологические процессы микроэлектроники, обеспечивающие создание электронных устройств сенсорного ввода информации, работающих на емкостном и резистивном принципах построения. Сформулированы проблемы существующих микроэлектронных технологий и предложен новый, альтернативный способ производства микроэлектронных емкостных сенсорных экранов. Предложены результаты исследований, позволяющие в 6—8 раз снизить технологическую себестоимость емкостного сенсорного экрана, повысить его надежность до 1 млрд прикосновений и светопропускаемость свыше 92 %. На основе последних микроэлектронных технологий предложен способ формирования слоев сенсорной панели, операции которого могут протекать при температурах, меньших в 1,5—2 раза, чем в случае традиционной технологии. Ключевые слова: сенсорные экраны, технология ITO, себестоимость, резистивная и емкостная технологии изготовления.
ВВЕДЕНИЕ
По состоянию на начало 2013 г. сенсорный экран стал одним из самых дорогих периферийных компонентов в мобильных электронно-вычислительных устройствах — смартфонах, мобильных телефонах и т. п. И чем больше массово-габаритные характеристики этого устройства, тем выше размер диагонали сенсорного экрана и доля дисплея в формировании общей стоимости устройства. Это обусловлено существующими ограничениями микроэлектронных технологий производства, в которых используются редкие, дорогостоящие и хрупкие материалы (например, индий [1]). Кроме того, это связано со сложностью формы необходимых элементов в конструкции сенсорных экранов, необходимостью в проведении большого числа операций [2].
Задача микроминиатюризации и снижения себестоимости сенсорных элементов ввода информации особенно актуальна именно для мобильной электроники, в которой на данный момент применяются в основном резистивные и емкостные сенсорные экраны. Первые основаны на изменении электрическо-
го сопротивления контактирующих при прикосновении к экрану резистивных пленок, а вторые на регистрации изменения электрической емкости вследствие добавления к ней емкости человеческого тела [3].
Прогнозирование развития микроэлектронной индустрии имеет тенденции к дальнейшему распространению сенсорного интерфейса ввода и на персональные компьютеры [4]. Это подтверждает актуальность приводимых в статье исследований и разработок по альтернативной и более дешевой микроэлектронной технологии изготовления сенсорных экранов для их повсеместного внедрения (в первую очередь емкостной сенсорной технологии) в устройствах с большими диагоналями.
Работы в области систем сенсорного ввода для широко -форматных устройств отображения информации для персонального компьютера (помимо широко распространенных для мобильных электронных устройств) в настоящий момент ведутся целым рядом компаний [5], в том числе и программного обеспечения для таких систем. Например, Microsoft Corp. в октябре 2012 г. закончила рабо-
ту над операционной системой (ОС) Windows 8, где по большей части многие функции адаптированы именно под сенсорный интерфейс ввода. Система включена в новый Internet Explorer 10, который быстрее и динамичнее своего предшественника и разработан в первую очередь для сенсорного управления (любые действия в сети выполняются простыми касаниями пальцев) [6].
Компания Google Inc. изначально (начиная с 2009 г.) разрабатывала свою ОС Android для сенсорного управления, а в недавно выпущенной очередной версии Android 4.0 (ноябрь 2012 г.) помимо обширных возможностей для сенсорного ввода информации предусмотрено ПО, адаптированное и под бесконтактный ввод (реализовано пока только в веб-браузерах) — технология "floating-touch" [7].
Тем не менее, использование сенсорной емкостной технологии для крупногабаритных дисплеев ограничивается пока высокой стоимостью изготовления единицы площади, чувствительной к прикосновению поверхности устройства отображения [1].
СРАВНЕНИЕ И АНАЛИЗ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕНСОРНЫХ ПАНЕЛЕЙ
На настоящий момент в емкостных и резистивных сенсорных экранах в основном применяются технологии изготовления на основе материалов из оксидов индия и олова (ITO — indium tin oxide) [10].
Рассмотрим классификацию сенсорных экранов. Сенсорный экран — это система ввода-вывода информации, в которой устройство отображения неразрывно связано с элементами ввода. Для этого на обычный экран (жидкокристаллический индикатор, органический светоизлу-
чающий светодиод и т. д.) могут наноситься проводящие и прозрачные материалы, обеспечивающие передачу информации, либо создаваться система покрытия поверхности экрана излучениями различной природы (электромагнитными, механическими, акустическими) и частотного диапазона.
Таким образом, имеем четыре основных принципа работы сенсорных экранов: резистив-ный, емкостной, с определением поверхностно-акустических волн и оптический.
На основе этих принципов разработан десяток сенсорных технологий и конструкций экранов, классификация которых
изображена на рис. 1 в соответствии с используемой сенсорной технологией.
Резистивная и емкостная — основные технологии организации чувствительного слоя на поверхности экрана (см. таблицу). Большая часть всех сенсорных экранов для мобильных устройств изготовлена по одному из этих принципов. Инфракрасные, на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) применяются в основном в стационарных терминалах ввода-вывода информации. DST-экраны, тен-зометрические наиболее редки в использовании из-за своей сложности конструкции и высокой стоимости изготовления.
Основные характеристики сенсорных экранов
Вид сенсорной технологии
Параметр Емкост- Проек-цион- Резистив-ная четы- Резистив-ная пяти- Матрич- Индукцион- На ПАВ Инфра-
ная но-ем- рехпро- провод- ная ная красная
костная водная ная
Прозрачность, % 90 90 75 80-85 85 90 95 100
Надежность (среднее 200 1000 3-10 35 35 Ограничива- 50 Бесконечное
число нажатий, млн) ется только надежностью электроники число (ограничивается только загрязнением датчика)
Возможность мультита- + - - + + - - -
ча, но позволяющего
только масштабирова-
ние изображения
Возможность мультитача - + - - - - - -
Точность определения Опре- Не более Не более Не более Не менее 0,15-0,5 мм Не более Определяется
координат деляет-ся размером пальца 1 мм 4 мм 3 мм 3,5—4 мм 2 мм количеством горизонтальных и вертикальных сканирующих лучей
Время отклика (быстро- 5...10 4...5 10 5 230...350 18 10 20
действие), мс
Средняя толщина экра- 3...8 3...18 2...3 2... 3 0,5...3,5 - 6...12 12...13
на, мм
Измерение силы нажатия - + - - - + + -
Диапазон рабочих тем- 0...+35 -40...+70 + 15...+55 —10...+60 0...+50 - От —20...0 -20...+70
ператур, °С до +40...+50
Влажность, % 5...90 5...90 20...90 20...90 0...90 - 10...90 10...90
Защита от внешней сре- + + + + + + - -
ды (устойчивость к жид-
костям, грязи и т. д.)
Рис. 1. Классификация сенсорных экранов
Проекционно-емкостные экраны изготавливаются следующим образом [8]. Проводящий слой 1ТО покрывается первым слоем из защитного клея, затем прокладываются печатные проводники из меди для формирования сетки электродов проек-ционно-емкостной панели и наносится второй слой из защитного клея снаружи печатных проводников (видимой части экрана).
Достоинствами такой технологии являются:
— материал 1ТО бесцветен и обладает хорошей прозрачностью для излучения видимого спектра;
— резистивные свойства оксидов индия и олова в электрических цепях проявляются в ре-зистивных экранах путем изменения электрического сопротивления слоя 1ТО и последующего вычисления координаты прикосновения, а в емкостных экранах резистивные свойства используются в проводящей обкладке;
— возможность функционирования во всех климатических условиях (диапазон рабочих температур может достигать от —40 до +70 °С) и в любой среде, в широком диапазоне относительной влажности (от 10 до 90 %);
— хорошая проводимость материала 1ТО.
Самые первые технологии 1ТО имели множество недостатков: светопропускаемость, как правило, не превышала 90 %, осаждение 1ТО проходило при высоких температурах, которые повреждали гибкие подложки дисплеев (от 200 до 500 °С, в среднем 300 °С), а описанный выше способ изготовления применяется в основном для резис-тивных экранов, где невозможен мультитач и желателен ввод информации стилусом, а не пальцами.
Дальнейшее развитие технологии 1ТО включало в себя разработку новых способов изготовления поверхностно-емкостных, проекционно-емкостных экранов. В основном, новые способы включали в себя, например, такой, когда прозрачный проводящий материал, нанесенный на верхнюю поверхность гибкой пластиковой пленки, затем покрывался слоем металла. Проводящий слой изготавливается, как правило из Л£, Си, Аи и А1, а металлический включает в себя элементы N1, Сг, М—Сг, Т1, Бп, Мо [9].
Преимуществами способа изготовления сенсорных экранов от компании LG Ш^ТЕК СО являются [9]:
— более высокая гибкость (в сравнении с первыми технологиями ITO для резистивных экранов), эластичность получаемой сенсорной панели;
— прозрачный проводящий материал, нанесенный на верхнюю поверхность гибкой пластиковой пленки, обеспечивает высокую светопропускаемость (свыше 90 %) сенсорного экрана;
— сенсорный экран, изготовленный по такой технологии, поддерживает ввод информации как пальцем, так и стилусом.
Однако наряду с устраненными недостатками по-прежнему остаются сложности проведения технологических процессов и создавания конструкций пленок для проекционно-ем-костных экранов. Также процесс удаления и предварительной обработки примесей на поверхности пленки ITO включает предварительную обработку ионными пучками с использованием, по меньшей мере, двух газов: одного из О2, О3, N2, N2O, NO2 и СО и инертного газа Ar, Kr или Xe.
Недавнее открытие технологии ITO QField от компании Quantum Research Group состоит в использовании метода переноса заряда [10]. Применение этого метода дает возмо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.