一种四线式红外光学触摸屏技术的研究

西南石油大学 刘峻宏 崔唐杰成都树德中学 黄明泉

一种四线式红外光学触摸屏技术的研究

西南石油大学 刘峻宏 崔唐杰
成都树德中学 黄明泉

本项目是对传统电阻式触摸屏的改造，形成一种新的人机交互方式，利用红外感光材料的电阻特性，红外线照射下，电阻急剧下降，形成导通电路，使两层被其隔开的ITO涂层连通，通过输出电压情况，计算出坐标，从而实现定位。

触摸屏；红外；感光

21世纪是科技飞速发展，触摸屏已覆盖各种科技产品，手机、电脑、电视都在向触控方向发展。现有的触摸屏主要有以下三类：首先即是电阻式触摸屏，曾经第一代只能手机应用最为广泛的技术，由两层ITO中间形成空隙，在压力作用下形变接触，实现电路导通，由于经常受压形变，因此若ITO涂层太薄则容易脆断，而涂层太厚，又会降低透光性并且形成内反射降低屏幕清晰度。由于经常被触动，表层的ITO使用一定时间后会出现大量细小裂纹，甚至脱落，因此其寿命并不长久。第二种是电容式触摸屏，现在普遍应用中的屏幕，相比电阻式触摸屏，灵敏度和准确性都大为提升。但是电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，其稳定性不是很好，容易产生漂移现象。最后一种是红外线框式触摸屏,设备投入高，价格贵，不利于推广。本文介绍的四线式红外光学触摸屏是对电阻式触摸屏的改进和创新，克服了被触动多导致变形的问题。

四线式红外光学触摸屏的结构如下图所示，在一层透明的PET薄膜上均匀等厚的覆盖有两层透明、导电的ITO层，如图上层作为Y 电极，下层作为X 电极，它们之间完全由均匀、透明的红外感光半导材料隔开。其中上层（即Y 电极层）ITO上方也附着着一层PET薄膜（图中未画出）。X电极和Y电极的正负端由“导电条”（图中黑色条形部分）分别从两端引出，且X电极和Y电极导电条的位置相互垂直。引出端Y-，Y+，X-，X+，一共四条线。当触摸屏表面受到红外光照时，两层ITO导电层之间半导体材料电阻迅速减小将两层连通，四线式红外光学触摸屏的电路结构可以等效为相应的电路，如图1所示。

图1

计算光照点的X,Y坐标分为如下两步：

（1）计算Y坐标，在Y+电极施加驱动电压Vdrive，将Y-电极接地，用X+作为引出端测量得到光照点的电压，由于ITO层均匀导电，电阻模拟为线性分布，光照点电压与驱动电压电压之比等于光照点Y坐标与屏幕高度之比。

（2）计算X坐标，在X+电极施加驱动电压Vdrive，将X-电极接地，用Y+作为引出端测量得到光照点的电压，由于ITO层均匀导电，电阻模拟为线性分布，光照点电压与驱动电压电压之比等于光照点X坐标与屏幕宽度之比。

以上方法测得的电压通常由ADC转化为数字信号，再进行简单处理就可以做为坐标判断光照点的实际位置。

如上介绍，四线式红外光学触摸屏的原理比较简单。项目组在实验室实验过程中，主要做了以下研究。

首先设计ITO-PET，由于PET膜在试验中不易储存和运输，因此，我们选择玻璃基片来做实验。通过磁控溅射，将ITO以薄膜的形式度到30mm*50mm的玻璃基片上，测得长端电阻1.6千欧。

再利用化学沉积法，用硫脲，氢氧化钠，硝酸铅按照一定浓度配比，在碱性环境下，将已镀上ITO的玻璃基片放入水浴锅中25度恒温沉积，30min后，成功制取硫化铅薄膜。测得电阻约1.9千欧。

本设计选用硫化铅（PbS）作为红外光敏材料，。PbS的重要性质是在近红外波段具有光敏性。硫化铅的能带间隙为0.41eV，工作波长在1-3μm的近红外区，在2.1μm的敏感度最大 。

很多早期的实验均证明，不经处理的硫化铅，其光电导响应很弱，电阻变化不明显，其电阻变化在驱动电压加载下，几乎并不能使两层ITO导通。只有经过敏化，才能获得高灵敏度的硫化铅器件。一般来说，用氧气敏化的方法有很多种，这里介绍两种方式：第一种是在真空蒸发纯硫化铅材料过程中通氧，或者将硫化铅膜在氧气或者大气中高温氧化来达到敏化的目的。第二种是化学沉淀法，一般是将氧化剂加入沉淀溶液，以便较准确地控制氧化量，但也可以在沉淀后加温氧化。

这里采取对硫化铅薄膜进行高温敏化处理，高温热处理对PbS器件的电阻率、感光性能等有很大影响。实验证明，要想提高PbS的红外光敏性，必须提高热处理温度，但PbS的熔点为1114℃，在较高温度下就开始挥发。所以，必须严格控制温度，不能太高，否则由于PbS的挥发，而影响PbS器件的敏化性能。因此，热处理温度应该在500℃左右。

在热处理前先将PbS在80℃的烘箱中烘干1h；热处理方法是：保持一定的热处理温度，在空气中恒温热处理1h。经敏化处理后的PbS材料即可成为本设计中的红外光敏材料。

注：国家大学生创新创业训练项目——四线式红外光学触摸膜技术（项目号：20148615029）。