图1是常见的抽象化的双层ITO 工艺概图。从上到下分别是:
• 覆盖层 (overlay):大多是钢化玻璃(0.4~1mm),也有可能是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。PET 的优势在于触摸屏可以做到更薄,而且比现有的塑料和玻璃材质更加便宜;
• 绝缘层(isolation)1/2/3:玻璃(0.4~1mm),有机薄膜(10~100um),粘合剂,空气层;
• ITO:典型厚度50~100nm, 其方块电阻大约100~300 欧姆范围;
工艺三维结构直接关系到触摸屏的2个重要电容参数:感应电容(手指与上层ITO)和寄生电容(上下层ITO 之间,下层ITO 与LCD 之间)。 ITO 的厚度决定了其电阻率。
图2.电容触摸屏平面菱形版图(Cypress 专利)
图2. 是Cypress 的专利技术ITO 菱形图形。蓝色是上层ITO,黄色是下层ITO。这里面包含的主要关键电学参数是:纵向sensor 与横向sensor 之间的寄生电容;sensor的电阻值。Sensor 的电阻值取决于菱形块的大小,以及菱形之间的过桥宽度。
参数化设计思想
触摸屏设计的目标就是尽量减小电阻和寄生电容,并同时增加感应电容。系统优化设计包括结构优化和版图优化,涉及到十几个物理和电学变量。由于缺少解析表达式,复杂边界条件下的MAXWELL 方程组数值模拟几乎成为唯一的选择。 绝大多数数值计算软件需要直接输入三维结构图,有的甚至要求对边界的数值描述文件。另外,这种结构绝缘层以及ITO 极薄的厚度也会给仿真软件带来非常巨大的计算难度,甚至无法准确计算电学寄生参数。由于一系列困难,使得优化仿真的前端工作变得庞大,使整个优化设计变得几乎不可能。
针对这一设计瓶颈,Cypress Semiconductor Corp. 和Ansoft Corp. 探讨了一套设计流程,简单地讲就是利用Ansoft/Q3D 对版图和结构参数化,达到快速自动仿真优化的
设计目的。Ansoft/Q3D 通过采用多种先进的数值方法,能够得到基于物理参数的非常直观的标准RLGC 参数矩阵。对于设计者而言,RLGC 参数矩阵直接描述物理结构,因此更容易解设计的问题出处和关键所在,能非常方便的指引设计者设计的方向。同时,Ansoft/Q3D 提供了强大的参数化功能和参数优化功能,可以大大提高设计者的工作效率。
图3. Ansoft Q3D 生成的可参数化三维图形
图3 是ITO 触摸屏的一个单元。这个单元的所有2D 和3D 参数可以通过Ansoft 的Q3D进行参数化,包括ITO 的厚度,双层ITO 之间的间隔,以及菱形结构之间的间距和过桥宽度。结构参数化之后,设计人员可以根据不同情况对其中的一个或多个物理结构参数进行扫描式仿真;同时设计者可以使用Ansoft/Q3D 内嵌的优化算法,根据设计要求,自定义优化的目标参数,得到接近最优的物理结构参数。对于更为复杂的3D 结构,Ansoft/Q3D 也可以采用同样的参数化方法进行建立模型。可以想象,有了这样的一种先进的参数化CAD 设计流程,整个系统的优化设计可行性变得水到渠成。
设计流程
在我们给出的设计举例中,限于篇幅,仅仅列举出电容参数矩阵。在Q3D 的计算中,电阻矩阵的计算相对容易,消耗较小的计算机内存;而电容参数的计算,不仅仅是影响设计的关键因素,而且在Q3D 的仿真中消耗较多的计算机内存。下面只是列出电容计算的结果(1 和2 表示单元菱形结构编号,其实C[1,1]和C[2,2]是1 和2 两个菱形的自电容参数,C[1,2]和C[2,1]表示互电容)。