電容觸控螢幕的技術原理和膜層工藝簡介

觸控屏（touch panel），也稱為「觸控螢幕」，顧名思義就是人們可以不藉助滑鼠和鍵盤裝置直接實現向計算機輸入坐標信息，具有操作簡單、反應速度快、高可靠性、堅固耐用等許多優點，簡單來說就是一種方便人機互動的定位設備。

按照觸控螢幕的功能原理主要可分為電阻式觸控螢幕、表面聲波觸控螢幕、電容式觸控螢幕和紅外線式觸控螢幕這四類，其中電容式觸控螢幕自從Apple公司Iphone4手機風靡全球後更是呈現出井噴式的發展趨勢。

 

 

電容觸控螢幕的分類

電容觸控螢幕分為兩大類，一類是表面電容式觸控屏，另一類是投射電容式觸控屏，同時投射電容式還可細分為自電容式與互電容式。其中表面電容式與投射自電容式觸控螢幕只能實現單點觸控，而投射互電容式觸控螢幕則可達到多點觸控技術的要求，被廣泛應用於手機面板市場上的科技類產品。

 

電容觸控螢幕的工作原理

表面電容式觸控屏的工作原理 

表面電容式觸控螢幕是通過感測屏幕表面因觸摸行為而導致的電場感應來定位觸摸點。當觸控螢幕處於工作狀態下，手指接觸到屏幕表面，手指與觸控螢幕保護玻璃下的導體層產生一個耦合電容。對於高頻電流來說，電容是直接導體，從表面電容式觸控螢幕的四個拐角處電極發出的電流會流向觸點，且流向觸點的電流大小與觸點距離四角電極的距離成正比例，觸膜屏後的控制器將會根據產生的電流數據從而計算出觸摸點的準確位置。

 

 

投射電容式觸控屏的工作原理

投射電容式觸控螢幕是通過感應觸控螢幕電極發射出靜電場線的變化來定位觸摸點，通常是以X軸、Y軸交叉分布構成電極矩陣。投射電容式觸控屏工作原理與表面電容式觸控屏相同的地方在於都是通過感應電場的變化來定位觸摸點，但相比而言前者的優勢在於具有較高的解析度，同時可實現多點觸控，被廣泛應用於目前手機等可攜式行動裝置上。 

   投射電容式觸控技術又可分為自我電容（自電容式）和交互電容（互電容式）。 自我電容又叫做絕對電容，是一種單電極的方式，它將接觸觸控螢幕的物體（例如手）作為電容的另一個極板，該物體在被傳感物體的電極與觸控螢幕中的傳感電極之間形成感應電荷，觸摸點電容增加，通過測量X軸、Y軸電極矩陣，可根據觸摸耦合電容的前後變化計算出觸點的位置。

 

      如圖2-4所示，自電容式可以實現單點觸摸的準確定位，因為單點引起的電容變化在X軸與Y軸所交叉定位的方向僅一組；假設在觸控螢幕上同時存在2個不在同一X方向或者同一Y方向的接觸點，那麼相應的在X軸、Y軸分別存在2個坐標投影，可以組合出4個坐標，但是實際上這其中只有2個點是真的觸點，另外兩個假點俗稱為「鬼點」，所以說自電容式只能實現單點觸摸的準確定位。

交互電容又稱為跨越電容，是一種雙電極的方式，即電容的兩極分別由X軸和Y軸電極構成。它是利用相鄰電極所產生的耦合電容變化來定位觸點位置，當接觸屏物體靠近從一個電極到另一個電極的電場線時，電場之間交互電容的改變會被控制器測量到數據，從而實現觸點定位的目的。 

 

      如圖2-5所示，與自我電容不同，交互電容可以實現多個觸摸點的定位，當X軸電極矩陣依次發出激勵信號時，Y軸所有電極矩陣同時也接收信號，以此獲得該觸控螢幕幕二維平面的電容大小，再根據觸摸前後電容值的變化計算出觸點位置。以上可知交互式觸控螢幕可實現多觸點的定位。

 

電容觸控屏的結構

隨著市場不斷擴大，觸控螢幕的市場應用產業不僅僅局限於平板電腦和智慧型手機，而是逐步滲透到公共顯示屏、筆記本電腦等使用到 LCD 屏幕的科技產品中，其中電容觸控屏近幾年來更是因為其良好的人機互動操作性能逐步佔據了市場的主體位置。

 

電容觸控屏根據其結構可分為三大類,分別是外掛式（Add-on Type），保護玻璃整合式（Touch Integrated with Cover Glass）以及顯示屏整合式（Touch Integrated with Display），其中後面兩個類型又可以統稱為內嵌式（Add-in Type）。

早期傳統手機的觸控螢幕結構顯示屏幕與觸控螢幕幕是兩個獨立的器件，如圖 2-7。

 

通過採用貼合技術（全貼合或者框貼）將兩個功能屏幕粘貼整合在一起，最外層出於保護觸控螢幕防止其受到外界損傷的考慮，會再貼合一層強化玻璃。這種相對獨立的外掛式（也常被人稱為 Out-Cell）雖然工藝步驟相對簡單重複，主要是功能器件之間的貼合，但是相對的所生產的產品一般會較其他兩類觸控螢幕在厚度方面略遜一籌，在目前如何將觸控產品進一步輕薄化的市場趨勢下，顯然後期的發展不容樂觀。

隨著貼合技術的迅速發展以及鍍膜工藝技術的日益增長，從工藝角度講傳統外掛式觸控屏由於保護玻璃、觸控螢幕、顯示屏兩之間需要經過貼合兩次（重複性影響製程時間），且每次貼合製程都可能存在不良品的產生（影響成品率）；再從市場需求出發考量，產品厚度偏大不僅影響使用者的手感，同時多層玻璃的結構也會存在反射光以及透射光的幹擾，影響顯示屏的透光率與清晰程度。為了解決傳統外掛式觸控螢幕以上問題，內嵌式觸控技術應運而生，自2012年開始美國蘋果公司先後將其應用在Iphone5 等系列行動裝置上並因其輕薄的外觀以及高透光率迅速得到市場的歡迎。

內嵌式觸控螢幕包含保護玻璃整合式和顯示屏整合式。

所謂保護玻璃整合式是指將傳統式觸控螢幕的觸摸層變更為導電金屬薄膜，並通過濺射工藝將其鍍在保護玻璃（Cover Glass）更靠近顯示屏的一側，之後通過貼合技術再將帶有觸摸層的保護玻璃與顯示屏幕粘貼在一起。相比傳統外掛式觸控螢幕來說，減少一次貼合工藝使得工藝製程簡化節約成本；觸摸層由玻璃替換為薄膜，少一層玻璃的厚度，同時也因此產品本身透光率得到了提升。這項技術也被稱為OGS技術，是在保護玻璃上直接形成導電膜及傳感器的技術。 

OGS製程工藝可分為大片製程（Sheet Process）和小片製程（Piece Process）。大片製程與小片製程的區別在於將基板玻璃作業到觸控面板的切割工序不同。大片製程主導廠商是Wintek，其工序是先對基板玻璃進行強化，然後鍍膜蝕刻製作成觸控感應層，接著再切割成觸控面板需的尺寸大小，最後印刷並二次強化。大片製程的優點在於規模效益強，缺點在於邊緣的二次強化很難做好。

小片製程主導廠商是TPK，其工藝順序是先將基板玻璃切割成觸控螢幕所需求的尺寸大小，再進行鋼化印刷，最後鍍膜蝕刻加工。其優勢在於小的觸控面板無需二次強化，不足之處在於小片工藝生產規模效益差，不利於批量生產。

另一種內嵌式觸控螢幕是顯示屏整合式，簡單來說就是將觸控層與顯示屏合二為一，保護玻璃和傳統外掛式作用相同，與顯示屏貼合即可。 這種技術是以面板廠商為主導，同時以On-cell和In-cell此兩項技術方案為基礎推進展開，市場上比較成功的案例是韓國三星公司將AMOLED技術與On-cell技術融合量產的三星Galaxy Note系列手機以及美國蘋果公司採用In-cell技術發布的Iphone5使得相比之前Iphone4S手機機身減薄18%（9.3mm變為7.6mm）。

以傳統TFT-LCD為例簡述On-cell與In-cell的結構。On-cell技術觸控螢幕是指將觸摸層設計在顯示屏的上層偏光板與彩色濾光片之間，即在顯示屏彩色濾光片玻璃的外側；而In-cell技術觸控螢幕則是將觸控傳感器整合到彩色濾光片玻璃的內側。

以傳統TFT-LCD為例，這裡所謂的Cell是指顯示屏含上下玻璃基板（彩色濾光片玻璃與TFT陣列玻璃）之間所構成的區域，上下玻璃基板內側均存在各自的驅動電極，電極間的物質則為顯示介質液晶。

 

該兩種技術的最大區別在於觸控傳感器相對於彩色濾波片玻璃的結構位置，在其內側是In-cell，在其外側為On-cell。In-cell技術因為是將觸摸層設計在液晶面板內部，加工工藝會變得複雜，且無法利用傳統LCD面板廠商，需要重新安排工藝流程，成本較高；另外為了防止錯誤的觸控感測訊號幹擾，In-Cell屏幕需嵌入配套的觸控IC。

On-cell技術只需在彩色濾光片底板與偏光板之間形成觸摸層即可，不會涉及到顯示屏幕（TFT-LCD）內部的結構變化，可導入到傳統面板廠商，相比In-Cell而言降低了技術難度。

 

 

 

On-cell 觸控層膜層工藝簡介  

On-cell 觸控技術從結構出發，主要是在彩色濾波片的背面玻璃與偏光板之間增加一層關鍵的觸控層，此層大多是採用阻值較小的金屬導體鍍膜布線。 

面板行業與集成電路在製程工藝方面有很多相通的地方，在彩色濾波片（簡稱CF）背面玻璃上作業按照製程順序會涉及到鍍膜製程（TF Process）、塗布光阻（Coating PR）、圖形曝光(Exposure)、光阻顯影（Developing）、線路蝕刻（Etch process）、去除光阻（Strip Process）這幾項主要工藝，其中塗布光阻到光阻顯影統稱為 Photo Process，此製程直接決定了金屬線的線寬（簡稱 CD）。應用在面板行業，同尺寸面板 CD 做細可以增加分布在同等面積的數據線（Data line）與  信號線（Gate line）的數量，也就是人們常說的提高屏幕的解析度。

 

 

鍍膜製程（Thin Flim Process）

薄膜沉積也稱為鍍膜（deposition film），通常可分為化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）,前者往往用於非金屬材料的薄膜沉積，後者用於金屬材料或金屬合金材料的薄膜沉積。雖然都是鍍膜工藝，但是其原理不同，以等離子增強化學氣象沉積（PECVD）為例，其工作原理在真空環境下，通入製程氣體並在 13.56Hz強電場下形成 plasma（等離子體電漿）狀態，然後利用氣體分子的相互碰撞發生化學反應，形成目標物在基板上沉積完成鍍膜。 

所謂 plasma 是大量帶負電的電子（electron）、帶正電的離子（ion）、各種中性自由基（radical)、原子（atom）和分子（molecule）集合在一起，但其中的正負電荷總數卻處處相等並對外顯示電中性，這種狀態的氣體就稱為電漿；其化學性質很活潑，能壘很低，易於參與反應生成更穩定的物質。

本文中所用到的工藝是金屬 Al 的鍍膜，採用了物理氣相沉積中的磁控濺射沉積，其工作原理如圖所示：在真空腔體內將製程氣體 Ar 氣在一定電壓下電離成為電漿 plasma 的狀態，產生出來的 Ar+離子在電場的作用下，轟擊作為陰極的 Al 靶材上，將靶材原子轟擊出來並在擴散的作用下沉積在基板上。為了增加正離子轟擊靶材的頻率，在靶材的背面裝有磁極，並使磁場方向與陰極表面平行，使正離子轟擊陰極靶材的頻率大大增加，從而可以在低溫、低放電電壓的環境下鍍膜。

 

黃光製程（Photo Process）

    黃光中製程的重要步驟在於將需要的線路圖形轉換到膜層上，整個製程主要是通過光阻（Photo Resist）的特性與光罩（Mask）完成的。光阻，簡稱 PR，是脂 Resin（20%）、感光劑 Photoactive compound（5%）、溶劑Solvent（75%）、添加劑 Additive 構成。光阻分為正性光阻（Positive Type）與負性光阻（Negative Type），前者是將光罩擋住的圖形部分留下，而後者是將光照未遮擋的圖形部分留下。

 

黃光製程主要包括塗布前清洗（Clean）、塗布光阻（Coating PR）、曝光前烘烤（Soft-Bake）、曝光（Exposure）、顯影（developing）、顯影后烘烤（Hard-Bake）單元其流程圖如下：

 

a 清潔單元：去除基板表面髒汙和微粒，可有效減少塗布光阻製程中不良缺陷的產生，一般有去除有機物的 EUV 單元以及去除小顆 particle 的高壓水洗單元；

b 塗布光阻：此單元採用線性塗布方式，即使用連通光阻的一排均勻分布的噴嘴（Nozzle）從基板短邊開始沿長邊一次性塗布，在塗布過程中若基板表面不平整，會有感應 sensor 報警，避免異物刮傷噴嘴造成塗布不均，在後續製程形成 Mura 類不良；

 

c  曝光前烘烤（Soft-Bake）：去除光阻內部大部分溶劑，提高光阻的粘附性以達到固膜的效果，另外通過熱處理可以將塗布過程中的應力釋放，製程溫度一般選用 90℃~110℃；

d  曝光單元（Exposure）：由紫外線透射光罩將圖形轉寫至光阻表面。因為光阻本身具有光敏特性，在其受到一定波長光的照射後會發生化學反應形成一個淺像，該淺像在後面的顯影單元可以被顯影掉。

e  顯影單元（developing）：用鹼性顯影液將曝光後由中性變成酸性的光阻溶解去除。顯影過程中發生的是化學反應，關鍵是需要控制好顯影液的濃度以及顯影時間。產品經過曝光會隨著傳送單元進入顯影槽，其單元上面會有噴頭將顯影液均勻的噴灑在基板上，待酸性光阻與顯影液反應後，再用純水衝洗玻璃基板將表面反應掉的光阻殘渣去除並利用風刀乾燥。

f 顯影后烘烤（Hard-Bake）:將光阻內最後的溶劑趕走,使光阻定型,增強其對下層膜的粘附力，另外也將顯影后基板表面殘留的水氣烤乾，提高了 PR 的抗刻蝕力。同時該製程還可造成光阻輕微的流動，從而也調整了光阻邊緣的形狀。相比之前 Soft-Bake製程，該製程溫度較高，一般採用 120~150℃之間。

 

線路蝕刻（Etch process）  

將定義出線路圖案的膜層，用不易被蝕刻環境中物理/化學作用所破壞的物質——光阻來阻擋不想去除的部分，其餘想去除的部分則以蝕刻方式（Etch process）來去除，一般有幹蝕刻（Dry Etch）和溼蝕刻（Wet Etch）兩種蝕刻方式，蝕刻的最大作用就是將 Photo Process 後的光阻的圖形（以正性光阻為例）轉移到光阻下面的金屬膜層或非金屬膜層，用於線路成型。Dry etching（幹蝕刻）是將特定氣體在一定條件下激發成含有離子、原子團、分子以及電子的電漿並利用這些解離後的離子及原子團對特定膜層加以去除的一種蝕刻方式。在幹蝕刻過程中，被去除的膜層是沒有光阻保護的部分，而有光阻保護的部分則保留下來形成我們想要的圖案。幹蝕刻中不使用到水溶液，且整個過程是在電漿(Plasma)環境中運用物理或化學的方式來達到去除光阻或侵蝕薄膜的技術，其主要運用於非金屬材料。

Dry etching 中起作用的主要是 radical 和 ion。Radical 是電中性，因為化學性質很活潑，所以和膜表面分子發生反應，可達到膜層去除的作用。Radical 參與的是化學蝕刻具有等向性蝕刻特性，對下層 Film 造成的傷害較少；而 Ion 通過電場加速，直接轟擊被蝕刻物質表面，以此來促進膜面的化學反應，具有非等向蝕刻性，相應的對下層膜面的傷害較前者大。幹蝕刻製程過程處於真空機臺中，反應生成物作為 gas 被排棄。

Wet etching 是藉助適當的腐蝕性溶液（多數為酸溶液）對所欲去除的膜層只利用化學反應來去除的製程，因此主要應用於金屬材料。Wet etching 主要通過沉浸與噴淋兩種方式對基板表面未被光阻保護的膜層進行化學蝕刻，製程溫度要求不高——室溫即可，主要需要控制蝕刻液的濃度預計時間，特別是在與膜反應的過程中，蝕刻液的溶度會隨著製程不斷下降，因而會有感應器監控及時做補酸的動作。

溼蝕刻反應過程大概可分為三個階段：

（1）反應物質擴散到欲被蝕刻材質的表面；

（2）反應物與被蝕刻薄膜反應；

（3）反應物的產物從蝕刻表面擴散到溶液中，並隨溶液排出；

物理蝕刻與化學蝕刻因為其反應原理的不同，故而蝕刻後下層膜界面的側面蝕刻角（taper 角）就會存在差異性，如下圖所示：

 

一般而言幹蝕刻的 taper 角較溼蝕刻易控制，以下是乾濕蝕刻部分性能對比表格。

 

 

去除光阻（Strip Process）：

去除光阻是利用可將光阻溶解的鹼性 stripper 液完成，其主要成分是 30%的DMOS（二甲基亞碸）和 70%的 MEA（乙醇胺）。其中 MEA 是表面活性劑，在光阻與玻璃基板間進行交互作用，起到剝離的作用；DMSO 同樣是溶劑，起到膨脹光阻的作用。類似於 Wet Etch 製程，Strip 製程結束後同樣需要用純水將表面殘留的光阻衝洗乾淨並利用風刀乾燥基板表面。