基于ITO的柔性全透明觸屏顯示系統(tǒng)

王鏡堯

摘 要：面對(duì)傳統(tǒng)傳感器在許多領(lǐng)域受限的情況，具有柔性，透明，便于量產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)的傳感器亟待被發(fā)掘。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了氧化銦錫（即ITO）薄膜的基礎(chǔ)性能，定性的研究了ITO薄膜的基礎(chǔ)屬性，通過(guò)ITO薄膜的單面導(dǎo)電性，設(shè)計(jì)出對(duì)壓力有高靈敏度的電極，制造了一種高柔性，透明，輕便，低成本，可以量產(chǎn)的傳感器，并通過(guò)將外電路短接的方式，體現(xiàn)了ITO作為傳感器將力電信號(hào)轉(zhuǎn)化的功能。

關(guān)鍵詞：ITO;傳感器;反應(yīng)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN151 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）09-0028-02

0 引言

在大數(shù)據(jù)時(shí)代即將到來(lái)的今天，數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)愈加被重視。但是傳統(tǒng)傳感器大多有著低靈活性，高重量，光學(xué)性能差等弊端。新式傳感器的研發(fā)已迫在眉睫。

ITO全稱(chēng)Indium tin oxide，即銦錫氧化物。氧化銦錫材料具有較低的電阻率，是極有潛力的電學(xué)材料。其的靈活應(yīng)用在傳感領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)意義。觸屏正成為電器控制的主流，而在當(dāng)今的觸屏市場(chǎng)上ITO觸屏占據(jù)著重要地位，這歸根結(jié)底是來(lái)源于ITO良好的性能。ITO具有著極強(qiáng)的柔性。柔性材料的傳感在機(jī)器人科技[1]和可穿戴電子技術(shù)[2]中都是重要的課題。傳統(tǒng)傳感器的低靈活性在許多方面上限制了現(xiàn)代科技的發(fā)展，因而柔性傳感的研究將成為打開(kāi)新世界的大門(mén)。在柔性材料中，ITO又同時(shí)擁有高透光性和低生產(chǎn)成本的特點(diǎn)。隨著觸屏控制化成為電器控制的趨勢(shì)，ITO受到越來(lái)越多的關(guān)注。同時(shí)，ITO的質(zhì)輕和透明也將其引向可穿戴電子技術(shù)的核心。

傳感器的根本原理是將力電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，主要方式基本是壓阻式、壓電式、電容式、摩擦方式等。主流傳感器主要有：（1）壓阻式：由于部分材料在受力時(shí)內(nèi)部粒子距離發(fā)生變化導(dǎo)致導(dǎo)電性能的變化，即電阻率變化，傳統(tǒng)的壓阻式傳感器有著工藝簡(jiǎn)單，低成本的優(yōu)勢(shì)。（2）壓電式：因材料體積的變化，導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生極化，將外界能量轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而體現(xiàn)受力情況。壓電系數(shù)與能量轉(zhuǎn)化效率正相關(guān)，因而可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度，高精確度。（3）電容式：受力時(shí)，平行電容板間距離變化，電容發(fā)生變化。將力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電容性能的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)化過(guò)程?？梢赃_(dá)到高靈敏度，低耗能的效果。（4）摩擦式：這種方式的根本理論背景是摩擦電效應(yīng)。內(nèi)部材料發(fā)生摩擦，保存著電荷。受力會(huì)使材料發(fā)生位置變化，把電荷轉(zhuǎn)化為電流/電壓信號(hào)。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，可以用于肌肉的監(jiān)測(cè)[3]。

ITO薄膜傳感器的研發(fā)根本依靠的是ITO薄膜的單面導(dǎo)電性，因此可以將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)。當(dāng)兩層ITO薄膜接觸時(shí)，等效體導(dǎo)電性能急劇變化，因而實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)。同時(shí)，ITO的輕質(zhì)與高柔性使其有著高靈敏度[5]的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)用品：ITO薄膜，PET，萬(wàn)能表，絕緣支撐物，1MΩ電阻。

（2）對(duì)ITO電極的測(cè)試：對(duì)于單位面積的單層ITO薄膜進(jìn)行了光學(xué)測(cè)試和電阻測(cè)試，并在彎曲情況下對(duì)其進(jìn)行光學(xué)測(cè)試和電阻測(cè)試。

（3）觸屏系統(tǒng)的制作：應(yīng)用ITO電極的的單面導(dǎo)電性[4]，將兩層導(dǎo)電面相向的ITO薄膜通過(guò)彈性絕緣支撐物制成電極，達(dá)到控制電路電阻率的效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 ITO薄膜的透光率

如圖1（a），ITO薄膜的透光率很高，接近透明[4]。而圖1（b）展示了ITO薄膜良好的柔性，在實(shí)際測(cè)量中可以彎折近180度，此時(shí)，ITO膜本身的透光性幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，如圖1（c）。同時(shí)，其電阻率變化小，如圖1（d）是1cm2的ITO膜在被彎曲時(shí)的阻值隨彎曲角度的圖像。

2.2 ITO電極原理

將兩層ITO薄膜分別固定在兩層PET膜上，使它們的導(dǎo)電面向外，用支撐物將其連接，使導(dǎo)電面相對(duì)，如圖2（a）兩層ITO間的距離極小與ITO本身的柔性使之在受壓力時(shí)上下ITO導(dǎo)電面相互接觸，達(dá)到接通電極效果。自然狀況下，兩層ITO分開(kāi)，達(dá)到斷開(kāi)電極效果。圖2（b）中是ITO電極模型，是本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的6×6cm2模型，遠(yuǎn)大于實(shí)際的ITO電極，但具有等效的意義。

2.3 應(yīng)用ITO電極達(dá)到觸屏控制效果

引入一個(gè)固定電壓，在每對(duì)ITO電極與電源正極間接入一個(gè)1MΩ電阻和一個(gè)外電路，該電路會(huì)在感受不到電壓時(shí)輸出電信號(hào)。將電極另一端接地，因而在電極接通時(shí)便輸出電信號(hào)。如圖3所示電路原理圖。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果

將電路接入CPU，啟動(dòng)預(yù)設(shè)邏輯如圖4（a）的程序，進(jìn)行感受器實(shí)驗(yàn)。在觸摸電極任意區(qū)域時(shí)，對(duì)應(yīng)程序運(yùn)行，得到如圖4（b）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)定性的研究了ITO薄膜的基礎(chǔ)屬性，通過(guò)ITO薄膜的單面導(dǎo)電性，設(shè)計(jì)出對(duì)壓力有高靈敏度的電極，制造了一種高柔性，透明，輕便，可以量產(chǎn)的傳感器。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)注意維護(hù)ITO薄膜導(dǎo)電面的完好，如破壞了導(dǎo)電面的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可能會(huì)引起電極的失效。支撐物的選擇直接決定了傳感器的靈敏程度和傳感的使用壽命，應(yīng)該在保持彈性和絕緣的情況下盡量切削較薄，但應(yīng)同時(shí)保證在不受壓時(shí)兩薄膜應(yīng)自然處在分離狀態(tài)，這是傳感器功能保持的前提?；椎倪x擇極為重要，既要保證不損害ITO的既有性質(zhì)，又要盡量體現(xiàn)保護(hù)功能，進(jìn)而提升傳感器的使用壽命，保護(hù)ITO的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時(shí)，要注意電路的設(shè)計(jì)，加入保護(hù)電阻是因?yàn)镮TO的導(dǎo)電性能極好，在面積極小時(shí)電阻也極小，在閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大電流。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡自興，賀漢根，陳虹.未知環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制研究的若干問(wèn)題[J].控制與決策，2002，17（4）：385-390，464.

[2] 滕曉菲，張?jiān)?移動(dòng)醫(yī)療：穿戴式醫(yī)療儀器的發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2006，30（5）：330-340.

[3] 葉強(qiáng).柔性力敏傳感在人體運(yùn)動(dòng)信息獲取和反饋訓(xùn)練中的應(yīng)用研究[D].2017.

[4] 馬勇，孔春陽(yáng).ITO薄膜的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002， 25（8）：114-117.

[5] Sungwoo C， Yong C I， Wonkyeong S， et al. A Highly Sensitive Force Sensor with Fast Response Based on Interlocked Arrays of Indium Tin Oxide Nanosprings toward Human Tactile Perception[J]. Advanced Functional Materials，2018：1804132.