Oncell触控技术在车载中的应用

陈 烜，叶家聪

(深圳天马微电子股份有限公司 研发中心，广东 深圳 518118)



Oncell触控技术在车载中的应用

陈 烜，叶家聪

(深圳天马微电子股份有限公司 研发中心，广东 深圳 518118)

Oncell触摸技术将触摸感应膜层集合于液晶显示面板上,相较于常规的双层技术方案，具有更轻薄化，透过率更高，制程更优的特点。本文将单层多点电容方案、复合盖板、防反射、防指纹涂层、全贴合等新技术用在了Oncell上。研究了在车载复杂状况下的使用,可匹配不同的液晶显示驱动技术。经过试验测试，最新开发的Oncell触控技术，可以支持3点以上触控，支持戴手套操作，通过头部撞击试验，其表面反射率低于3%，线性度为±1.5 mm，最新开发的Oncell触控技术关键技术问题得到了解决，经过测试，可以满足车载产品苛刻的要求。今后Oncell触摸技术也必将会成为车载触控领域重要的技术方案。

Oncell；车载；触控技术；全贴合；头部撞击；电容触摸屏

1 引 言

在消费类电子领域，电容屏触摸(CTP)技术已成为手机、平板电脑等市场主流[1]。随着汽车互联网，智能汽车的迅速发展使得人们对于汽车产品的人机交互提出了更高的要求，特别是触控技术，但在车载应用上，目前还是以电阻屏技术方案为主，但由于电容屏相比电阻屏，具有光学透析度好、外观简洁漂亮、触摸操作简单方便，寿命长等方面的优势，国际上一些大的汽车厂商，如通用、克莱斯勒、奔驰、宝马等，已开始将电容屏研发导入到车载应用上。可以预见，未来电容屏技术在车载产品上的应用势必会越来越广[2]。目前，电容屏触摸技术发展迅速，尤其是Oncell触摸技术。Oncell触摸技术是电容屏触摸技术的一种新型技术方案，其将触摸感应膜层集合于液晶显示面板上，相较于常规的COVER+SENSOR双层技术方案，具有更轻薄化，透析度更高，制程更优化，成本更有优势等特点。国际上，三星已将Oncell广泛应用于其热卖的智能手机Galaxy S/ Note系列,其它面板大厂像群创、华映、和鑫光电、彩晶等也积极跟进，纷纷切入Oncell且已量产。据NPD DisplaySearch预估，2014年Oncell触控面板出货量将达2.65×108片、年增率上看37%。2015年其市场占有率将达到15%左右。未来3～5 年内，Oncell将会发展为电容屏触摸主流技术方案。在车载应用上，有着特殊的技术要求，如需要带手套操作，需要通过头部撞击试验[3]；更严格的光学指标要求，如反射率，透过率要求更高；更高的可靠性要求，如工作温度要求-40～90 ℃。开发可应用于车载产品的Oncell触摸技术，解决Oncell触控显示的很多关键技术问题，使其满足车载产品苛刻的要求，可以实现Oncell触摸技术在车载上的快速应用。可以更好地满足汽车互联网和智能汽车对于人机交互的需求，今后Oncell触摸技术也必将会成为车载触控领域重要的技术方案。

2 Oncell的结构及其工作原理

2.1 Oncell触控屏的结构

图1 Oncell剖面图Fig.1 Oncell section drawing

触摸感应层由一层ITO Sensor组成，生产流程是先制作好TFT-LCD，图1所示，包括TN模式的TFT和IPS模式的TFT[4-5]，TFT玻璃基板厚度为0.3 mm，彩色滤光片(CF)的厚度也是0.3 mm。再在彩色滤光片溅射一层ITO层，之后经过黄光制程制作驱动电极，感应电极和走线电极。在SENSOR的上面再用OCA或OCR胶水贴合盖板玻璃(Cover Glass)。见图1为Oncell剖面图。为了满足车载头部撞击测试，盖板玻璃改用了亚克力(PMMA)和PC(聚碳酸酯)复合材质的盖板。

图2为Sensor的走线示意图，单层多点Oncell[6-9]的走线在一层ITO上集成了发射电极和接收电极，发射电极和接收电极之间会形成一个固有的电容值。走线电极(Trace Line)可为悬空电极。

图2 Sensor走线和互电容Fig.2 Sensor trace and mutual capacity

2.2 Oncell触摸屏的工作原理

2.2.1 单层ITO电容屏工作原理

利用人体电场,当手指接近触摸屏表面时，手指与Tx和Rx构成一个电容，这样该触摸位置的电容值就会发生改变。由于只有单层的ITO走线，实际扫描电容值时仅扫描互电容值的变化。

如图3，根据电容的变化，经过复杂的运算[10-11],可检测出手指触摸点的位置。

图3 单层ITO电容屏工作原理Fig.3 Single ITO capacitor TP schematic

2.2.2 电容值变化的转换

对于IC来说是没有办法直接检测电容值和其变化的，这就需要将其转换为电阻的变化。

如图4，当S1闭合S2断开时有电流从A进入电容C充电；当S1断开S2闭合式，电容C进过B放电，S1和S2开关由时钟电路控制，周而复始地工作。经过开关电容的充电电流i=C×dV/dt；一个周期内的电压变化ΔV=ig×Δt/C；开关频率f=1/Δt；这样A和B两端的等效电阻为：

(1)

这样电容的变化就转换成了电阻值的变化。

图4 测量感应电容原理Fig.4 Schematic of capacity test

3 Oncell在车载应用上的技术

在车载应用上，有着特殊的技术要求，如需要带手套操作，需要通过头部撞击试验；更严格的光学指标要求，如反射率、透过率要求更高；更高的可靠性要求，如工作温度要求-40～90 ℃。为了满足这些需求必须采用特殊的技术。

3.1 带手套触控

对于车载产品关于戴手套触摸的特性，通过比较不同材质和厚度的手套分析，例如羊毛、皮革、纤维或者尼龙，发现不同材质不同厚度手套对于触控的灵敏度有很大的影响，带手套操作时信号强度会衰减，若仅靠互电容模式驱动的方式能有效地支持1.0 mm厚度纤维或皮革材质的手套，对于2.0 mm以上的皮革材质手套还无法支持，如图5为不同材质，厚度手套对于触控性能的影响。增加强度后可能放宽对于手套厚度的要求，但会出现乱报点不良。

图5 不同手套信号强度对比Fig.5 Different glove vs signal

3.2 头部撞击试验

车载产品对于头部冲击要求见图6，当汽车发生碰撞事故时，驾驶员或副驾驶员头部可能会撞击到触摸屏的表面。

图6 头部撞击测试图示Fig.6 Head impact test

基于车载产品对于头部冲击要求，实际研究先从盖板材质、厚度以及结构，分析其是否能起到保护作用，分析产品实际判定标准以及车载电阻屏解决思路，从而提出采用玻璃表面贴附膜材或偏光片，既起到防爆作用，又能改善光学效果的方案。如果客户对外观结构有3D立体的要求，可提供PMMA加PC复合板方案。实现立体形状的盖板匹配汽车结构需求，并提供触控功能。PMMA加PC复合板可以在CTP屏被撞击破损后保障没有锋利的玻璃溅出伤人。

3.3 光学指标提升

3.3.1 全贴合替代普通贴合

普通的CTP采用口字胶贴合，这样贴合的操作简单，价格便宜，但由于CTP和LCD中间为空气层，这样在光线通过CTP和LCD时会在界面发生反射和折射现象，造成整体的背景发白，严重影响了LCD的对比度。特别对于汽车产品其要求背景色要足够黑。为了解决这个问题我们采用了光线贴合硬胶或光线贴合的水胶来贴合CTP和LCD，用这两种胶水来都叫全贴合。如图6是口字胶框贴和OCA(光学透明胶带)/OCR(光学透明树脂)全贴合的效果对比。图中可以看到，全贴合的LCD明显比框贴合的底色要黑得多。

图6 全贴合与口字胶贴合效果对比Fig.6 Air bonding VS optical bonding

3.3.2 AR(抗反射)+AF(防指纹)设计方案

普通的CTP盖板的反射率在4%左右，但对于汽车产品，这样的反射率是无法接受的。如当外界光线照射到屏表面并可能反射到人眼，这样就会出现安全隐患，且更高的反射率会降低LCD的显示性能，会出现驾驶员无法识别出显示信息的问题。

抗反射膜,也称为增透膜、减反射膜、低反射膜。抗反射膜是在光学元件(如透镜、CG等)上镀制一层或是多层膜，利用薄膜的干涉相消来减少反射光。减反膜的原理如图7。其中n0是空气的折射率，n1为减反膜的折射率，ng为cover玻璃的折射率。当膜层折射率满足如下两个条件，反射率为零，实现减反射效果。

(2)

(3)

另外，人手会出汗或有油污，若盖板表面不做处理，多次使用CTP后就会有沾污残留，并影响显示效果。这样需在盖板表面增加AF(防指纹)膜，这样盖板上不容易残留沾污。

图7 减反膜减反原理Fig.7 How AR film work

3.4 多点触控实现

图8为实现4点触控的示意图。图中可见驱动和感应单元之间形成边缘电容，而行列交叉重叠处会产生耦合电容，所以只要检测这两个电容的容值变化就可以实现多点触控。

图8 多点触控实现Fig.8 Multi-touch

3.5 ESD和EMS性能提升

车载产品对于ESD，EMS的要求相对较高，ESD一般要求通过空气放电±15 kV，接触放电±8 kV，EMS要求通过IR01和IR05的测试。经过结构整改，增加EMI滤波电路，增加屏蔽措施，增加磁环等，最终测试结果可以通过汽车产品的要求。图9为4.2 in(1 in=2.54 cm) Oncell实际的测试结果。

测试项目测试条件测试模式测试频率范围测试结果结果判定IR0128401NOS02＿5/IR01＿200V/MCW200MHz～2GHzAPASSAM200MHz～800MHzAPASSPM800MHz～2GHzAPASSIR0612W(level1)10W(level2)12W(level1)10W(level2)CWPM223MHz～510MHzBPASS735MHz～835MHzBPASS223MHz～510MHzBPASS735MHz～835MHzBPASSESDARCD+/-15kV-APASS+/-15kV-APASS+/-8kV-APASS+/-8kV-APASS

图9 ESD和EMI测试结果
Fig.9 Test result of ESD and EMI

4 结 论

车载触摸面板有特殊的技术要求，如可戴着手套输入、防反射、防指纹等性能及高可靠性、高稳定性及安全性要求。Oncell触控技术在触摸感应膜层图案设计、Oncell全贴合设计、关键材料等方面取得了突破，解决了符合车载级应用的Oncell触摸显示的技术问题。Oncell触控产品可以支持3点以上触控，支持戴手套操作，通过头部撞击试验，其表面反射率低于3%，线性度为±1.5 mm，最新开发的Oncell触控技术经过测试，可以满足车载产品苛刻的要求。为Oncell触摸技术在车载触控领域的推广提供了可能。

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Oncell touch panel technology in automotive

CHEN Xuan, YE Jia-cong

(TianmaMicro-electronicsCo.,LTD. ,Shenzhen518118,China)

Oncell touch panel technology is a new technology of touch panel which touch sensor is integrated on the surface of LCD.Compared with outcell touch panel,oncell touch panel is thinner,lighter and easier to produce.New technology, such as single layer multi-touch capacitor touch panel，PMMA+PC cover， AR，AF film and optical bonding etc. are used in Oncell touch panel. Oncell touch panel can match different LCD driving method.Oncell touch panel can run regularly in rugged environment such as complex electromagnetic environment,strong sunlight,high and low temperature.Finally,the new technology of Oncell touch panel can support up than 3 point touch,glove touch and head impacted test.The surface reflectance is lower than 3%, and linearity is ±1.5 mm.The Oncell touch panel solved the key technical problems and can pass the automotive test.Thus Oncell touch technology will be the most important technology of automotive.

Oncell; automotive; touch technology; all joint; head impact；CTP

王永青(1988-)，女，河北石家庄人，硕士，工程师，主要从事混合液晶材料的研究与开发。E-mail：yqwang@163.com

2014-10-15；

2014-11-06.

深圳市新一代专业显示技术工程实验建设项目(深发改[2014]1823号)；薄膜晶体管(TFT)关键技术研究及产业化开发(深科技创新(2014)96号)；新型显示平用高端TFT-LCD显示模组的产业化(深发改(2014)722号)

1007-2780(2015)03-0410-06

TP394.1；TH691.9

A

10.3788/YJYXS20153003.0410

*通信联系人，E-mail：xuan_chen@tianma.cn