CN101432647B - 用于光学触摸屏的波导材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适合用于波导基光学触摸屏传感器的聚合物光学材料。特别地，该材料应该具有比该触摸屏器件的最小操作温度低的玻璃化转变温度(Tg)。优选地，将由该材料组成的波导装配在聚合物基材上，使得该波导组合是挠性的。在这种情况下，该材料应该具有比该聚合物基材的Tg低的Tg。

Description

用于光学触摸屏的波导材料
介绍
本发明涉及适合用于波导基光学触摸屏传感器的聚合物光学材料。
背景技术
在整个说明书中对现有技术的任何论述并不应被认为是承认此种现有技术是众所周知的或形成了本领域公知常识的一部分。
由于计算机及其它消费者电子器件例如移动式电话、个人数字助理(PDA)和手提式游戏的触摸屏输入器件或传感器极易使用是高度理想的。过去，已使用各种途径提供触摸屏输入器件。最常用的途径是使用挠性电阻盖层，但是该盖层容易被破坏，可能引起眩目问题，并往往使位于下面的屏幕暗淡，从而要求额外的功率使用来弥补此种暗淡。电阻器件还可能对湿度敏感，并且该电阻盖层的成本与周长的平方成正比。另一种途径是电容触摸屏，它也要求盖层。在这种情况下，盖层一般是更耐用的，但是眩目和暗淡问题仍存在。
在又一种常用的途径中，红外线光束的矩阵设在显示器前面，其中通过中断该光束中的一个或多个来检测触摸。此种“光学”触摸屏已久为人知(US 3,478,220；US 3,673,327)，其中光束通过光源例如发光二极管(LED)的阵列产生并通过相应的检测器(例如光电晶体管)阵列检测。它们的优点是无盖层并且可以在各种环境光条件中运行(US 4,988,983)，但是具有显著的成本问题，因为它们要求许多源和检测器组件，以及支撑电子设备。因为此种系统的空间分辨率取决于源和检测器的数目，所以这种组件的成本随着分辨率增加。
基于集成光波导的备选光学触摸屏技术在US 6,351,260、6，181,842和5,914,709和US专利申请号2002/0088930和2004/0201579中进行了公开，它们的内容经以交叉引用的方式引入本说明书。此种器件(具有一种特定的波导布局)的基本原理示意性地示出在图1中。在这种光学触摸屏传感器设计中，集成光波导10将单个光源11的光引导至平面内透镜12，该透镜12发射一排光束13越过输入区14。光由第二组平面内透镜15和在该输入区另一侧的集成光波导16收集，并被引导至位置敏感性(即多元件)检测器17。触摸作用(例如通过手指或触针)切割一个或多个光束并且被检测为阴影，其位置由该触摸物体阻断的特定光束确定。即，任何物理阻断的位置可以通过黑斑的存在在一维上确认，使得用户反馈能够进入该器件。优选地，该器件还包括在输入区14的两面上与平面内透镜12、15相邻的外部垂直准直透镜(VCL，在图1中没有显示)，以使光束13在与该输入区的平面垂直的方向准直。在US 7,099,553公开的变化方案中(在此其内容经通过交叉引用引入)，在发射面上的集成光波导10的阵列可以被单个光波导替代，该单个光波导呈具有多个反射小平面的光管形式。
触摸屏传感器通常是二维矩形的，其中发射波导的两个阵列(X，Y)沿着屏幕的相邻面，接收波导的两个对应阵列沿着该屏幕的其它两面。在一个实施方案中，作为发射面的一部分，单个光源11(例如LED或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL))发射光(例如经由1×N树形分流片18)进入多个既形成X发射阵列又形成Y发射阵列的波导10。X和Y发射波导通常安排在L形基材19上，并且同样适于X和Y接收波导，以致单源和单位置敏感性检测器可以用来同时涵盖X和Y维度。然而，在备选实施方案中，对于X和Y维度中的每一个都可以使用独立的源和/或检测器。在每一面上，波导和透镜的阵列布置在屏幕的窗口内，并且为了使该窗口的宽度最小化，希望该发射和接收阵列尽可能窄。这对小器件例如移动式电话是特别重要的。
这种构型的另一个优点是同时地检测所有光束，使得与具有配对源和检测器的阵列的更常规构型相比能够实现快得多的扫描速度，其中该源和/或检测器被顺序地激活以确定任何源/检测器通道被是否阻断。在这种波导基构型中，可以简单地通过添加更多波导提高空间分辨率，而不会影响源/检测器组件成本或扫描速度。
波导基光学触摸屏传感器的关键组件是光波导本身，如US5,914,709中所公开，它们呈集成到基材上的波导的阵列形式。此种集成光波导是本领域中熟知的，并且通常由图案化光导芯层(折射指数n1)构成，该光导芯层由包层材料(折射指数n2，其中n2<n1)围绕并且安装在机械坚固的基材上。沿着每一波导传播的光由于芯和包层之间的折射指数差异在该芯内引导。芯区一般沿传播方向伸长，横截面是正方形或矩形的，并且通常由包层材料围绕，该包层材料可以认为由下包层(与芯的底面接触)和上包层(与其它三面接触)构成。然而，这不必必须是该情况，并且如美国专利申请号US2005/0089298A1中所公开(在此其全文参考引入)，存在这样一些情形，其中该芯的至少一部分在至少一个面上不与包层材料接触是有利的。此外，如果基材材料具有合适的透明性和折射指数，则可以省略下包层。
为了适合用于包括触摸屏传感器的消费者电子器件，光波导和用来装配它们的材料和方法必须满足许多要求。显然地，它们在工作波长下，通常在接近850nm的近红外范围内，必须是透明的。在这种前提下，材料首先必须在价格方面有竞争力，即接受价廉的制造工艺。其次，它们必须是可靠的，具有高的抗环境挑战例如机械应力(器件的弯曲、压碾和下落)、热应力(温度和快速温度变化的极端值)和化学稳定性(水及其它液体、蒸气和环境紫外光)程度。第三，它们必须与整个触摸屏组合相容。
集成光波导通常由刚性材料例如硅酸盐玻璃在刚性基材例如硅晶片或玻璃晶片上制备，并使用半导体型加工技术，即化学蒸气沉积、真空沉积、光刻、反应性离子蚀刻等进行制造。然而，这些技术要求昂贵的资本设备，并且由于制造的成本和容易性原因，由光可构图聚合物材料形成波导(和相关透镜)是高度优选的。如果可以经由光刻/湿蚀刻方法或模塑方法制造波导，则可以改进聚合物的成本优点，因为装配加工设备的投资费用比其它波导构图技术例如反应性离子蚀刻(RIE)低得多。US5,914,709提出光可构图聚合物苯并环丁烯(BCB)作为波导材料，但是没有考虑波导材料必须适合用于触摸屏传感器的性能。
本发明的目的是克服或改善现有技术的缺点中的至少一种，或提供有用的备选方案。
发明内容
概括地说，本发明提供一种包括光发射性聚合物芯和聚合物基材的挠性波导。优选地，该挠性波导还包括与所述光发射性芯的至少一部分接触的聚合物包层。
优选地，结合地选择材料和厚度以允许该挠性波导在急弯曲半径下反复和可逆地弯曲。
优选地，光发射性芯的玻璃化转变温度(Tg)低于其中使用该波导的器件的最小操作温度。还优选该光发射性芯的Tg低于基材的Tg。最优选地，该光发射性芯的玻璃化转变温度(Tg)低于基材的Tg并且低于其中使用该波导的器件的最小操作温度。可以根据电子和光学器件的一般操作温度选择该材料，或可以根据所考虑的最终器件的操作温度选择该材料。重要的是光导的预期的操作温度大于光导材料的Tg。某些光学参数，例如折射指数在该Tg区域周围显示非线性。
根据第一个方面，本发明提供一种用作光学触摸屏传感器的组件的光波导，该光波导包括在基材上的光导部分，其中该光导部分由Tg比该光学触摸屏传感器的操作温度低的聚合物组成。
优选地，该光学触摸屏传感器的操作温度至少在0℃-50℃的范围内，并且在一些应用中，0℃-35℃的范围是可接受的。
该光导部分有利地由Tg低于100℃，优选低于50℃，更优选低于25℃，最优选低于10℃的聚合物组成。
在优选的实施方案中，基材是基本上挠性的，并且可以例如是聚合物基材。优选地，该光导部分由Tg低于该聚合物基材的Tg的聚合物组成。有利地，光波导可以在小于100cm，优选小于10cm，更优选小于1cm，最优选小于2mm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
在一个实施方案中，光波导的光导部分可以如下形成：将可固化液体聚合物材料沉积到基材上，并使它固化而形成交联的聚合物材料。
高度优选该可固化液体聚合物材料基本上是不挥发的，并且尤其优选不含任何挥发性组分例如溶剂。挥发性可以通过许多参数确定，但是不挥发材料的一种指标是它不含在760mmHg下沸点小于大约175℃的任何组分，优选不含在760mmHg下沸点小于大约225℃的任何组分，更优选不含在760mmHg下沸点小于大约275℃的任何组分。不挥发材料的另一种指标是它具有在20℃下小于0.5mmHg的蒸气压，优选在20℃下小于0.1mmHg，最优选在20℃下小于0.01mmHg的蒸气压。不挥发材料的又一种指标是只有当温度超过25℃时，优选只有当温度超过50℃时，最优选只有当温度超过75℃时其蒸气压才超过1mmHg。
优选地，可固化液体聚合物材料包含硅氧烷聚合物。该可固化的液体聚合物材料可以通过任何方式固化，优选以UV引发的自由基聚合固化，或在一个备选的优选实施方案中，以UV平版印刷/湿蚀刻法固化。在另一个优选的实施方案中，可固化的液体聚合物材料可以以模塑法固化。可固化的硅氧烷聚合物的一个实例在由与本申请相同的受让人拥有的US6,818,721中进行了公开，并在此整体引入作为参考。
优选地，聚合物光导部分具有大约0.5μm-250μm，更优选3μm-50μm，最优选5μm-25μm的厚度。
如果波导基材包含聚合物，则它优选具有大于80℃，更优选大于150℃，最优选大于350℃的Tg。
聚合物基材可以包含任何适合的聚合物材料，例如聚碳酸酯、聚砜、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。可以采用任何适合厚度的基材。通常，基材厚度在大约25μm-lmm，优选在75μm-250μm的范围内，最优选为大约175μm。
在备选的优选实施方案中，本发明的光波导还包括在所述聚合物光导部分和所述基材之间的下包层。优选地，该下包层和聚合物光导部分具有基本上类似的组成，但是不具有相同的组成。下包层具有与芯光导部分不同且比其小的折射指数。
在另一个备选的优选实施方案中，本发明的光波导进一步包括与所述聚合物光导部分的至少一部分接触的上包层。优选地，该上包层和聚合物光导部分具有基本上类似的组成，但是不具有相同的组成。上包层具有与芯光导部分不同且比其小的折射指数。
本发明还提供包括根据该第一方面的光波导的器件。该器件可以例如是光学触摸传感器，它们可以用于，例如计算机、游戏或无线电通讯器件或其混合器件。
根据第二个方面，本发明提供当用作光学触摸屏传感器的组件时的光波导，该波导包括在基材上的光导部分，其中该光导部分由Tg比该光学触摸屏传感器的操作温度低的聚合物组成并且其中该光导部分如下形成：将基本上不挥发的可固化液体硅氧烷聚合物沉积到基材上，并使它固化而形成交联的硅氧烷聚合物。
该第二方面的优选的实施方案反映第一方面的那些。特别地，优选该光导部分由Tg低于100℃，优选低于50℃，再更优选低于25℃，最优选低于10℃的聚合物组成。
根据第三个方面，本发明提供一种装置，包括：光源；经光学耦合从所述光源接收光的发射波导部分，所述发射波导部分产生按第一方向传播的第一组光束；按第一方向与所述发射波导部分隔开的接收波导部分，所述接收波导部分接收所述第一组光束，在所述发射波导部分和所述接收波导部分之间的输入区；与所述接收波导部分光学耦合并包括一个或多个光检测元件的光检测器，在所述光束已经穿过所述输入区之后所述光检测元件基本上同时地检测所述第一组光束中每一个的光分布；其中所述发射波导部分和所述接收波导部分中的至少一个包括光导部分和基材；并且其中所述光导部分由Tg低于该装置的操作温度的聚合物组成。
该光发射部分可以包括单一波导，例如具有多个反射小平面的光管。该组光束可以是单片光。
该光导部分有利地由Tg低于100℃，优选低于50℃，更优选低于25℃，最优选低于10℃的聚合物组成。最优选地，聚合物光导部分具有比该装置的工作温度范围小的Tg。该装置的操作温度可以是由该聚合物的Tg许可的任何操作温度。在一个实施方案中，装置的操作温度为大约0℃-50℃；或者，在一个实施方案中，装置的操作温度为大约0℃-35℃。
在优选的实施方案中，基材是基本上挠性的，并且可以例如是聚合物基材。优选地，光导部分由Tg低于该聚合物基材的Tg的聚合物组成。有利地，发射波导部分或接收波导部分可以在小于100cm，优选小于10cm，更优选小于1cm，最优选小于2mm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
在一个实施方案中，光导部分可以如下形成：将可固化液体聚合物材料沉积到基材上，并使它固化而形成交联聚合物材料。高度优选该可固化液体聚合物材料基本上是不挥发的，并且特别是不含任何挥发性组分例如溶剂。
优选地，可固化液体聚合物材料包含硅氧烷聚合物。该可固化液体聚合物材料可以通过任何方式固化，优选以UV引发的自由基聚合固化，或在一个备选的优选实施方案中，以UV平版印刷/湿蚀刻法固化。在另一个优选的实施方案中，该可固化液体聚合物材料可以以模塑法固化。优选地，聚合物光导部分的厚度是大约0.5μm-250μm，更优选3μm-50μm，最优选为5μm-25μm。
如果波导基材包含聚合物，则它优选具有大于80℃，更优选大于150℃，最优选大于350℃的Tg。聚合物基材可以包含任何适合的聚合物材料，例如聚碳酸酯、聚砜、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
可以采用任何适合厚度的基材。通常，该基材的厚度是25μm-1mm，优选75μm-250μm，最优选为大约175μm。
在备选的优选实施方案中，本发明的装置还包括在所述聚合物光导部分和所述基材之间的下包层。优选地，该下包层和聚合物光导部分具有基本上类似的组成，但是不具有相同的组成。
在另一个备选的优选实施方案中，本发明的装置还包括与所述聚合物光导部分的至少一部分接触的上包层。优选地，该上包层和聚合物光导部分具有基本上类似的组成，但是不具有相同的组成。
优选地，装置是电子器件的输入器件，其中在所述发射波导部分和所述接收波导部分之间产生输入区。在优选的实施方案中，用户通过与输入区相互作用为电子器件提供输入。例如，用户用手指或触针与输入区相互作用。更特别地，装置可以呈光学触摸屏传感器形式，或装置可以呈计算机、游戏或无线电通讯器件或其混合器件形式。
优选地，发射波导部分还产生按不同于所述第一方向的第二方向传播的第二组光束；并且所述接收波导部分还接收所述第二组光束。优选地，该第二方向垂直于该第一方向。
根据第四个方面，本发明提供一种电子器件的输入器件，包括：至少一个光源；在多个光检测元件处检测光强度的光检测器；限定平面的输入区；和平版印刷限定的波导结构，其包括可分成一组或多组波导的多个波导，其中所述光源将光耦合到所述波导结构的第一组波导中，所述第一组波导引导耦合进入该波导的光而产生第一网格光束，并且所述第一网格光束按第一方向穿过该输入区然后被所述波导结构的第二组波导引导至所述光检测器的光检测元件；其中所述第一组和所述第二组波导中至少一组包括光导部分和基材；其中所述光导部分由Tg比该输入器件的工作温度范围小的聚合物组成。
优选地，该输入器件的操作温度在0℃-50℃，更优选0℃-35℃的范围内。该光导部分有利地由Tg低于100℃，优选低于50℃，更优选低于25℃，最优选低于10℃的聚合物组成。
在优选的实施方案中，基材是基本上挠性的，并且可以例如是聚合物基材。优选地，该光导部分由Tg低于该聚合物基材的Tg的聚合物组成。有利地，所述第一组和所述第二组波导中至少一组可以在小于100cm，优选小于10cm，更优选小于1cm，最优选小于2mm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
在一个实施方案中，光导部分可以如下形成：将可固化液体聚合物材料沉积到基材上，并使它固化而形成交联聚合物材料。高度优选该可固化液体聚合物材料基本上是不挥发的，并且特别是不含任何挥发性组分例如溶剂。优选地，该可固化液体聚合物材料包含硅氧烷聚合物。该可固化液体聚合物材料可以通过任何方式固化，优选以UV引发的自由基聚合固化，或在一个备选的优选实施方案中，以UV平版印刷/湿蚀刻法固化。在另一个优选的实施方案中，可固化液体聚合物材料可以以模塑法固化。
优选地，聚合物光导部分的厚度是大约0.5μm-250μm，更优选3μm-50μm，最优选为5μm-25μm。
如果波导基材包含聚合物，则它优选具有大于80℃，更优选大于150℃，最优选大于350℃的Tg。聚合物基材可以包含任何适合的聚合物材料，例如聚碳酸酯、聚砜、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
可以采用任何适合厚度的基材。通常，该基材的厚度是25μm-1mm，优选75μm-250μm，最优选为大约175μm。
在备选的优选实施方案中，本发明的输入器件还包括在所述聚合物光导部分和所述基材之间的下包层。优选地，该下包层和聚合物光导部分具有基本上类似的组成，但是不具有相同的组成。
在另一个备选的优选实施方案中，本发明的输入器件还包括与所述聚合物光导部分的至少一部分接触的上包层。优选地，该上包层和聚合物光导部分具有基本上类似的组成，但是不具有相同的组成。
在优选的实施方案中，用户通过与输入区相互作用为电子器件提供输入。例如，用户可以用手指或触针与输入区相互作用。更特别地，输入器件可以呈光学触摸屏传感器形式，和电子器件可以呈计算机、游戏和无线电通讯器件和其混合器件形式。
在另一个优选的实施方案中，输入器件还包括所述波导结构的第三组波导和所述波导结构的第四组波导，其中所述光源将光耦合到所述第三组波导中，所述第三组波导引导耦合进入该波导的光而产生第二网格光束，并且所述第二网格光束按不同于所述第一方向的第二方向穿过该输入区，然后被所述波导结构的所述第四组波导引导至所述光检测器的光检测元件。
优选地，所述第三组和所述第四组波导中的至少一组包括光导部分和基材；其中所述光导部分由Tg比该输入器件的操作温度低的聚合物组成。输入区可以是任何形状，但是优选是矩形的。优选地，第二方向垂直于所述第一方向。
附图描述
现将参照附图描述仅通过举例的方式描述本发明，在附图中：
图1说明波导基光学触摸屏传感器的操作；
图2a和2b显示集成光波导的典型阵列的端部视图和侧视图；
图3说明可以其中挠性波导阵列可以折叠以节约光学触摸屏传感器中的空间的方式；和
图4a和4b显示对于两种具体的硅氧烷聚合物折射指数随温度变化的曲线。
图5显示具有具有包覆波导构型的波导基光学触摸屏传感器的透视图。
发明详述
US 5,914,709、US 6,181,842和US 6,351,260中所述的光学触摸传感器取决于具有集成光波导的阵列以分布和收集用来感应触摸作用的光束矩阵。集成光波导通常由图案化的光导芯层(折射指数n1)构成，该光导芯层由包层材料(折射指数n2，其中n2<n1)围绕并且安装在适合的基材上。沿着该波导传播的光由于芯和包层之间的折射指数差异在该芯内引导。在US7,099,553中描述的变化方案中，“发射”面的集成光波导，即用来分布光的那些可以单个呈光管形式的光波导替代，其中光束例如通过离开多个小平面的反射产生。在光管中，包层一般是空气，但是光导原理是相同的。
图2a显示穿过集成光波导20的典型阵列的A-A的端视图，图2b显示侧视图，其包括基材21，下包层22，多个光导芯23和上包层24。取决于材料体系，可利用各种技术沉积下包层、芯和上包层。它们包括火焰水解和化学蒸气沉积(例如对于玻璃)、分子束外延(例如对于半导体)和旋涂(例如对于聚合物)。芯层可以利用曝光和未曝光材料之间的溶解性差异，例如通过光刻和反应性离子蚀刻(适合于大多数材料)或光刻和湿蚀刻(例如对于光可构图聚合物)构图。或者，可以通过模塑或压印方法将聚合物芯层构图，例如US 5,230,990和US 5,265,184中所公开的那样，其中一旦已经获得母体或模具就可以重复地产生波导。光可固化聚合物尤其适合于此种方法，因为它们可以在模塑或压印加工过程中按要求固化(即固结)。在又一个备选方案中，采用可固化聚合物材料，可以通过直接散布和固化方法按要求沉积芯层，例如US 5,534,101中所公开的那样。由聚合物材料制造集成光波导的其它方法将是本领域技术人员已知的。
与用来制造集成光波导的方法无关，下22和上24包层的折射指数必须小于芯23的折射指数，使得光被约束在该芯内。下22和上24包层通常具有相同的折射指数，使得导模是对称的，但这不是重要的。如果包含该材料的基材21是透明的并且具有比含该材料的芯23小的折射指数，则可以省略下包层22。通常，波导具有光发射性伸长芯区，该芯区的横截面呈正方形或矩形。底面常规上定义为与基材相邻或最接近，顶面常规上定义为与底面平行但是与基材最远的面，侧面常规上定义为与基材基本上垂直的那些面。在本领域此前描述的集成光波导中，芯由包层材料(下包层或上包层)围绕。然而，这不必必须如此，并且存在一些情形，其中有利的是该芯的至少一部分在至少一个面上不与包层材料接触。这样的一个实例可以参见本发明的波导基光学触摸屏，其中如US 2005/0089298所公开的那样，图1所示的平面内透镜12和14具有弯曲端面，它们优选具有空气界面。
如上所述，波导基光学触摸传感器要求光波导具有许多性能：它们必须在价格方面有竞争力；它们必须坚固和可靠；以及它们必须与整个触摸屏组合相容。该第三种性能不如其它两种明显，但是高度有利的是波导阵列是机械挠性的，从而使具有合理挠性度的基材成为必需。具有合理挠性度的波导阵列首先有利于与体系中的其它光学组件配向，包括源、位置敏感性检测器和外部光学元件例如垂直准直透镜。第二个优点显示在图3中，其中带有发射波导阵列的基材31和带有接收波导阵列的基材32可以在显示器33的边缘下折叠而不在该显示器的边缘周围平放；这对其中空间非常重要的器件例如移动式电话是尤其重要的，因为它增加可利用的显示区。虽然刚性材料例如硅或玻璃的薄基材可以具有对配向相关的调节足够的挠性，但是图3所示的构型要求高度挠性的基材材料。下文中，如果基材或基材/波导组合可以在小于100cm，优选小于10cm，更优选小于1cm，最优选小于2mm的曲率半径下重复且可逆地弯曲至180°，则它将被称作“基本上挠性的”。基本上挠性的基材材料优选是聚合物，但是可以使用其它材料例如层压件或纺织布，只要它们可以平面化，例如具有旋压聚合物层，其也可以用作下包层。
与更传统的基材材料例如硅相比，聚合物基材还具有在成本和重量方面的益处。大范围的聚合物基材都是可获得的，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯酸酯(例如PMMA)和聚酰亚胺(PI)，它们都已经用于平板显示器工业(W.A.McDonald，Journal of Materials Chemistry，14卷，4-10页，2004)。其中，迄今为止PET是最广泛地使用的，因为它价廉和可广泛地大量获得(例如作为
Figure G2007800157203D0012164530QIETU
或
Figure G2007800157203D0012164540QIETU
)，具有高的表面质量(例如光滑度)。聚碳酸酯和聚砜同样是价廉和可广泛获得的。
集成光波导最通常使用在刚性基材如硅晶片或玻璃晶片上的材料例如硅酸盐玻璃，使用半导体型加工设备，即化学蒸气沉积、真空沉积、光刻、反应性离子蚀刻等制备(Y.P.Li和C.H.Henry，“Silica-based opticalintegrated circuits”，IEE Proc.Optoelectronics 143(5)卷，第263-280页，1996)。此种波导无疑是环境上坚固的(除非机械冲击)，但是它们是昂贵的(主要因为资本设备成本)并且因为过高的沉积温度一般与聚合物基材不相容。而且，为了具有挠性波导结构，基材和波导材料必需都为挠性的。因为波导层一般比基材薄得多，所以波导/基材复合材料的总体挠性由基材材料的特性支配，由基材材料的性质和其厚度确定。基材厚度通常将在25μm-1mm的范围内，而每一波导层通常将在0.5-250μm的厚度范围内。对于波导基光学触摸屏传感器而言，基材厚度优选为75-250μm，最优选为大约175μm，并且波导芯层厚度优选是3-50μm，最优选为5-25μm。
如上面所解释，由光可构图聚合物材料使用光刻/湿蚀刻方法形成用于波导基光学触摸屏传感器的波导阵列(和相关透镜)是高度优选的。这是与聚合物基材相容的低温方法，仅要求基材材料较不受用于湿蚀刻步骤的溶剂影响。经由光刻/湿蚀刻方法制造聚合物光波导是本领域中熟知的，例如在US 4,609,252、US 6,054,253和US 6,555,288中进行了公开。或者，可以使用模塑或压印方法形成波导阵列(和相关透镜)，例如US 5,230,990和US265,184中公开那样。
当选择用于某种应用的聚合物时，在许多需要考虑的性能当中的一个重要的性能是其玻璃化转变温度Tg。Tg可以定义为热容的二级相变，并且本身表现为体积变化速率随温度的斜率变化。在机械性能方面，聚合物材料在其Tg以下是刚性或“玻璃质的”并且在其Tg以上是柔软或“橡胶状的”，在其Tg周围是更复杂的“粘弹性”区域。在Tg以上聚合物的机械性能取决于分子结构，特别是，聚合物是否是交联的。未交联聚合物在Tg以上熔融或流动(即它没有机械完整性)，而交联聚合物保持其机械完整性但是具有与交联键之间的链段有关的局部运动自由度。用于显示器和聚合物波导的挠性基材有利地由对于热机械和环境坚固度进行选择的高Tg聚合物组成。典型实例是聚碳酸酯(Tg～150℃)、聚砜(Tg～190℃)和聚酰亚胺
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(Tg～350℃)，但是也使用较低Tg的材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(例如
Figure G2007800157203D0013095812QIETU
，Tg～80℃)。
因为聚合物的折射指数很大程度上取决于其密度，所以聚合物的Tg本身也表现为折射指数相对温度的曲线中的斜率变化，并且在某些情况下，这是确定Tg的适宜手段。然而应当指出，在交联聚合物中，在Tg以上仅交联键之间的链段自由运动，使得斜率的Tg相关变化可能不如其中在Tg以上整个链自由运动的未交联聚合物(例如热塑性塑料例如聚乙烯或PMMA)中那样显著。
一旦选择具有合适性能(例如成本、表面质量、Tg)的挠性基材，就高度希望聚合物波导材料适合该基材的机械性能。特别地，因为聚合物在Tg以上是柔软和橡胶状的，所以使用低Tg聚合物波导材料是有利的，该波导材料允许波导挠曲或弯曲，而不会引起波导中的局部应力。另一方面，如果波导由高Tg聚合物材料组成，则反复的挠曲可能引起局部应力的逐渐累积，这可导致微裂纹，微裂纹不但使光学性能退化，而且可能增长并最终引起波导层力学破坏。使用低Tg聚合物波导材料还允许波导响应基材尺寸的变化，这种尺寸变化可能由于热膨胀、高湿度环境中的吸湿和/或物理拉伸而产生。聚合物波导材料的Tg优选低于100℃，更优选低于50℃，再更优选低于25℃，最优选低于10℃。特别理想的是聚合物波导材料的Tg低于器件的最小操作温度，使得该材料总是处于其橡胶态。
许多聚合物波导材料是已知的并且用于光学器件领域，其中大部分具有高的玻璃化转变温度Tg，通常大于100℃。这意味着，在环境温度下，和在大多数光学器件的操作温度下，波导聚合物处于刚性“玻璃质”状态。高Tg聚合物通常是有利的，因为相信高Tg对于热和机械稳定性是必不可少的，对于在器件操作过程的长时间内和对于加工过程中的小的偏差来说都是如此，例如至～250℃，在包装(即焊接)过程中遇到的。高Tg光学聚合物的实例包括聚酰亚胺、苯并环丁烯、聚碳酸酯、酰亚胺化PMMA、聚酯、聚降冰片烯、丙烯酸酯、Dupont的PolyguideTM和Akzo Nobel的BeamBoxTM。值得注意的是，US 5,914,709中举例说明的苯并环丁烯(BCB)聚合物材料是高Tg聚合物，Tg～350℃(L.Eldada和L.W.Shacklette“Advances in polymer integrated optics”，IEEE Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics第6卷，第54-68页(2000))。
本领域中存在其中低Tg聚合物，通常是硅氧烷和丙烯酸酯(包括氟化丙烯酸酯)已经用作波导材料的一些实例。已经用作波导材料的另一种低Tg聚合物是交联的环氧树脂Norland68。尽管对它们存有偏见，但是交联的低Tg聚合物可以令人惊奇地对光波导器件有好处，尤其是对热光学器件(如US 6,236,774中公开那样)，首先因为聚合物性能的时间依赖性响应(与粘弹性效应有关)可以通过维持该器件远远超过Tg来避免，其次因为聚合物的热光学系数一般在Tg以上远比在Tg以下更大。因此，聚合物Tg低于器件的最小操作温度是有利的，因为该材料保持其柔软或＂橡胶状＂状态，只要通过交联保持机械完整性。用于光学触摸传感器的具有低Tg的聚合物波导材料的使用不是本领域中已知的。
除了具有低Tg之外，如果聚合物波导材料在固化之前还是基本上不挥发的，则是有利的。特别地，如果聚合物波导材料在固化之前不含任何溶剂，则是有利的。为了施加到基材上，聚合物波导材料一般需要处于液态；这可以通过将该材料溶解在溶剂中或通过使用在固化之前本身是液体的材料达到。当通过常用的方法例如旋涂、挤出涂覆、狭槽涂覆、丝网印刷或刮刀将波导材料施加到基材上时，理想的是在涂覆过程中很好地控制材料的流变性。虽然常规使用低挥发性溶剂，但是该溶剂仍可能在涂覆过程中连续地蒸发，这不可避免地改变流变性并因此使涂覆过程难以控制。另一方面，只要维持恒温，基本上不挥发的材料在任何顺序的涂覆步骤过程中不会经历基本流变性的任何改变。如我们的同时提交和在此整体引入作为参考的、标题为“Low volatility polymers for two-stage depositionprocesses”，序列号---和“Methods for fabricating polymer opticalwaveguides on large area substrates”，序列号---的共同未决申请中公开那样，基本上不挥发的聚合物尤其有利于两步淀积法例如挤出和旋转，它们可以用于在大面积基材例如矩形平板上成本有效地制造光波导。使用无溶剂不挥发波导材料的其它优点是在整个基材区域上改进的薄膜质量和避免任何软烘焙步骤，该软烘焙步骤可能需要在涂覆之后且在构图之前除去溶剂。如果使用聚合物基材，则无溶剂聚合物材料具有的又一个优点在于完全不必担心基材是否将受到材料中的溶剂侵蚀。虽然一些聚合物基材材料例如聚酰亚胺、PEN和PET已知具有良好的耐溶剂性，但是其它例如聚碳酸酯、丙烯酸系树脂和聚苯乙烯则不具有。无溶剂聚合物波导材料此前已经进行了描述(参见例如DuPont的PolyguideTM材料体系(US 5,402,514和US 5,292,620)、Corning的多官能化丙烯酸酯(US 6,555,288)和AlliedSignal的多官能化乙烯基醚(US 6,308,001))，但是大多数已知的聚合物波导材料需要溶于溶剂以便加工，包括聚甲基丙烯酸甲酯和聚(α-甲基苯乙烯)(US 4,749,245)、聚二乙炔(US 4,824,522)、聚丙烯酸酯和聚硅氧烷(US5,062,680)、聚酰亚胺(US 6,316,589)、聚(甲基甲基丙烯酰亚胺)(US6,327,415)、苯并环丁烯(参见Kane和R.R.Krchnavek，＂Benzocyclobuteneoptical waveguides＂，IEEE Photonics Technology Letters第7卷，第535-537页(1995))和高度氟化的聚合物例如
Figure G2007800157203D0016100023QIETU
和
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(US 6,603,917)。值得注意的是，US5,914,709中举例说明的苯并环丁烯聚合物归于要求溶剂的聚合物波导材料组，以及因此对在大面积基材上大规模生产光波导来说将是不希望的。基本上不挥发聚合物波导材料，和尤其是无溶剂聚合物波导材料的使用，在光学触摸屏传感器中的使用在本领域中不是已知的。
存在数种可以将液体材料认为是“基本上不挥发”的标准。一些标准可能涉及沸点(在规定压力下)或蒸气压(在规定温度下)的概念。另一种标准可能涉及在规定温度和压力下在规定时间内每单位表面积损失的材料重量的量。对于本发明目的，将根据三种标准限定液体材料的挥发性：在760mmHg压力(即1atm)下的沸点；在20℃下的蒸气压；和在蒸气压超过1mmHg时的温度。应当指出的是，沸点和蒸气压在给定压力(比方说760mmHg)下是相关的，当液体的蒸气压达到该压力时它将沸腾。一般地，沸点是最简单的用于比较不同液体的挥发性的标准，因为它可容易地观察到，除非液体在沸腾之前分解。液体的沸点通常将被列于其物理性能之中。基于蒸气压的对比可能更困难，因为蒸气压数据并不总是可容易地获得，并且可能未必总是在相同温度下引用。
许多溶剂已经用来溶解用于旋涂的聚合物材料，包括氯仿、苯和甲苯(US 4,749,245)，二甲基环己烷(US 4,824,522)，甲基异丁基酮(MIBK、US5,062,680)，N，N-二甲基乙酰胺(DMA，US 6,316,589)，乙酸2-甲氧基乙酯(US6,603,917)和乳酸乙酯(US 7,030,039)。近年来，环戊酮、环己酮和丙二醇一甲醚乙酸酯(PGMEA)已经成为流行的旋涂溶剂。这些溶剂的所选沸点和蒸气压数据(如果可获得)在表1中给出。
表1
 
溶剂 在1atm压力下的沸点(℃) 在20℃下的蒸气压(mmHg) 在蒸气压是1mmHg时的温度(℃)
氯仿 61.3 159 -58.0
苯 80.1 74.6 -36.7
甲苯 110.6 22 -26.7
MIBK 119 15 -1.4
二甲基环己烷 124 不可得 不可得
环戊酮 130-131 11.4(在25℃) 不可得
乙酸2-甲氧基乙酯 145 不可得 不可得
PGMEA 145-146 3.7 不可得
乳酸乙酯 154 2 不可得
环己酮 155 2 1.4
DMA 164.5-166 不可得 不可得
因为所有这些溶剂都具有低于175℃的沸点，所以用于判断液体材料“基本上不挥发”的一种可能的标准是它不含任何在760mmHg下沸点低于175℃的组分，优选不含任何在760mmHg下沸点低于225℃的组分，最优选不含任何在760mmHg下沸点低于275℃的组分。或者，基本上不挥发的液体材料可以定义为在20℃下具有小于0.5mmHg的蒸气压，优选在20℃下具有小于0.1mmHg的蒸气压，最优选在20℃下具有小于0.01mmHg的蒸气压的液体材料。或者，基本上不挥发的液体材料可以定义为，只有当温度超过25℃，优选当温度超过50℃，最优选当温度超过75℃时，其蒸气压才超过1mmHg的液体材料。
基本上不挥发的可固化聚合物体系通常由称为低聚物的低分子量聚合物链构成，其带有可固化官能团例如环氧基团或烯属不饱和基团。液体聚合物的分子量与其粘度紧密相关，并且如果该粘度过高(即分子量过高)，则该聚合物不能沉积在基材上而形成光学质量薄膜；因此本领域中已知的大多数光学和光致抗蚀剂聚合物需要用溶剂稀释。另一方面，如果基本上不挥发的聚合物中低聚物的分子量过低，则每个链将包含对进行有效固化不足的可固化官能团。那么可知基本上不挥发的可固化聚合物体系将具有优选的粘度范围，通常为100-10,000cP，更优选500-5,000cP，最优选1,000-4,000cP。因为粘度通常与温度强烈地关联，所以这些优选的粘度与工艺步骤进行时的温度，通常是室温相关。
UV可固化硅氧烷聚合物是一类尤其适合于制备波导的材料，可能地具有低Tg(取决于组成)。特别地，它们可以在没有溶剂下加工，因此是基本上不挥发的。它们可以通过缩合反应合成，如US 6,800,724、US 6,818,721或US6,965,006中所公开，所述文献在此整体引入作为参考。硅氧烷聚合物对许多基材材料，包括硅、玻璃和聚合物具有优异的粘附性。
现将给出一些标准硅氧烷聚合物的挥发性数据，以证实由US6,800,724、US 6,818,721和US 6,965,006中公开的反应合成的硅氧烷聚合物非常可能满足上面表1描述的“基本上不挥发”的标准。最通常可获得的硅氧烷聚合物，它们的挥发性数据可在文献中获得，是线性甲基-取代的硅氧烷，即其中每个硅原子带有两个或三个甲基。表2给出了含至多十一个硅原子的线性甲基-取代的硅氧烷的挥发性数据(注意，“Me”表示甲基，CH3-)。
表2
 
硅氧烷类型 结构 分子量 在1atm压力下的沸点(℃) 蒸气压为1mmHg下的温度(℃) 在20℃的蒸气压(mmHg)
四硅氧烷 Me-(Si(Me2)O)3-SiMe3 310.7 193.5 35.3 0.45
五硅氧烷 Me-(Si(Me2)O)4-SiMe3 384.9 220.5 56.6 0.0525
六硅氧烷 Me-(Si(Me2)O)5-SiMe3 459.0 245.5 73.7 0.0075
八硅氧烷 Me-(Si(Me2)O)7-SiMe3 607.3 290.0 105.8 0.0003
九硅氧烷 Me-(Si(Me2)O)8-SiMe3 681.5 307.5 144.0 不可得
十硅氧烷 Me-(Si(Me2)O)9-SiMe3 755.7 314.0 160.3 不可得
十一硅氧烷 Me-(Si(Me2)O)10-SiMe3 829.8 322.8 175.2 不可得
对表2中的沸点数据的检查表明甚至中等链长的甲基-取代硅氧烷，它们一般被认为是低聚物而不是聚合物，也具有超过175℃的沸点。对于本发明的目的来说，并且与上面表1中所列的溶剂相反，这些甲基-取代的硅氧烷被认为是基本上不挥发的。同样地，它们被认为是基本上不挥发的，因为它们仅在超过20℃的温度下具有1mmHg的蒸气压。它们也被认为是基本上不挥发的，因为它们在20℃下具有小于0.5mmHg的蒸气压。实际上，一旦重复单元的数目达到5，分子量达到384.9，在20℃下蒸气压就小于0.1mmHg。本领域技术人员可知的是，硅氧烷聚合物或具有较高分子量的低聚物将具有更低的蒸气压。因为通过US 6,800,724、US 6,818,721或US6,965,006中公开的路线合成的硅氧烷聚合物总是具有超过500，通常大于1000的分子量，所以很明显，如本说明书中限定那样，它们将是基本上不挥发的。
最后，我们提到其中硅氧烷聚合物(亦称硅酮)被认为是不挥发的专利文献中的几种情况：US 3,935,133；US 2001/0031269；US 6,685,921和US2004/0209784。
可以添加光引发剂或热引发剂以提高固化速率。可商购的光引发剂的实例包括1-羟基-环己基-苯基酮(Irgacure 184)、2-甲基-1[4-甲基硫)苯基]-2-吗啉代丙-1-酮(Irgacure 907)、2，2-二甲氧基-1，2-二苯基乙-1-酮(Irgacure 651)、2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉代苯基)-丁酮-1(Irgacure369)、4-(二甲基氨基)二苯甲酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-丙-1-酮(Darocur1173)、二苯甲酮(Darocur BP)、1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮(Irgacure 2959)、4，4＇-双(二乙基氨基)二苯甲酮(DEAB)、2-氯噻吨酮、2-甲基噻吨酮、2-异丙基噻吨酮、苯偶姻和4，4＇-二甲氧基苯偶姻。对于可见光固化来说，引发剂可以例如是樟脑醌。也可以使用两种或更多种光引发剂的混合物。例如，Irgacure 1000是80％ Darocur 1173和20％ Irgacure184的混合物。对于热固化来说，呈过氧化物(例如过氧化二苯甲酰)、过氧化二碳酸酯、过酸酯(过苯甲酸叔丁酯)、过缩酮、氢过氧化物以及AIBN(偶氮二异丁腈)形式的有机过氧化物可以用作引发剂。引发剂可以以总组成的0.01wt％-10wt％，更优选以总组成的0.5wt％-4wt％的水平存在。因为便于混入可固化材料，所以液体引发剂一般是优选的。然而，某些固体引发剂也可以溶于可固化材料，而不必添加溶剂。可以根据需要添加其它添加剂，例如稳定剂、增塑剂、对比度增强剂、染料或填料以提高聚合物的性能。
可以通过许多方法将适合于通过光构图或模塑制造波导的聚合物材料的薄膜沉积到基材上，包括旋涂、浸涂、弯月面涂覆、挤出涂覆和狭槽涂覆。然后可以用光经由掩模(例如在掩模对准器或步进器中)或者通过激光直接写入程序将这些薄膜光构图；对于高制造生产量来说，经由掩模曝光一般是优选的。
波导的形成和构图方法在我们的共同未决US专利申请号2005/0089298中进行了描述，其内容在此引入作为参考。适合的聚合物在US 6,818,721中进行了公开。
本发明的器件可以通过光发射性部分在挠性基材上直接构图制备。或者，可以将基材铺放在载体上，有或者没有中间释放层，和将光发射性层施加到基材上，然后从该载体上剥离该基材。
该沉积的聚合物优选是可通过光化辐射，优选UV辐射固化的。除了UV光之外，适合于使光可固化聚合物固化的几种类型的光化辐射是本领域中已知的并且适合于本发明，包括X射线、可见光和电子束。当使用基于光构图和湿蚀刻的制造方法时，该固化有利地引起被显影溶剂利用的溶解性改变，以除去未曝光的材料。或者，当使用模塑基制造方法时，可以有利地经由模具使聚合物固化然后脱模。当使用基于直接分配的制造方法时，在分配到基材上之后有利地使该聚合物固化。聚合物优选是硅氧烷聚合物(具有交替Si-O骨架的聚合物)，优选通过如US 6,800,724、US 6,818,721或US 6,965,006中公开的缩合反应合成，并且优选包含烯属不饱和取代基。光可固化硅氧烷聚合物上的烯属不饱和取代基可以例如是甲基丙烯酸酯基、苯乙烯基(如US 6,727,337中那样，其内容也在此引入作为参考)或一些其它能够经历自由基加成聚合的基团。
在一个优选的形式中，本发明中使用的聚合物是通过US 6,800,724中公开的方法合成的硅氧烷，包括以下步骤：用酸将金属醇盐化合物酸解以制备中间酸解溶液；和在金属醇盐化合物存在下使该中间溶液缩合以制备金属醇盐聚合物。一般地，各个酸解和缩合步骤中使用的金属醇盐化合物是不同的，但是它们可以是相同的。优选地，在没有添加水的情况下进行酸解和缩合步骤。酸在酸解反应中被消耗。优选地，金属醇盐化合物是有机改性的。更优选用于酸解和/或缩合步骤中的金属醇盐化合物的至少25％是有机改性的。有机改性的金属醇盐化合物是包括至少一个金属-碳键的化合物，该键在酸解和缩合步骤过程中不受影响。优选地，金属醇盐化合物具有以下通式：
R1 nM(OR)v-n     (1)
其中M是V价的金属，n是0-(V-1)的整数；R是含1-6个碳原子的短链烷基；R1是含1-20个碳原子的烷基或芳基。烷基或芳基R1可以具有取代基，包括如下种类如链烯基、烯丙基、烷基丙烯酰氧基、丙烯酰氧基或环氧基，它们可以光聚合或热聚合而形成有机网络，以及卤素、氨基、巯基、氰基、硝基、酰胺基和羟基。如果存在不止一个R1基，则该R1基可以相同或不同。优选地，金属醇盐化合物中的至少一种应该具有大于零的n，即具有至少一个M-C键，并且所述化合物应该占金属醇盐类总数的至少25％。优选地，金属醇盐化合物是硅、锆、钛、锗和/或铝的醇盐。优选地，酸是无机酸例如硼酸或磷酸或羧酸例如甲酸、乙酸或草酸。更优选，酸具有一种元素并且具有大于大约2的pKa，该元素具有形成玻璃或改性玻璃的氧化物。优选地，在酸解步骤中酸与金属醇盐化合物的摩尔比为1:5-10:1。
优选地，金属醇盐化合物的酸解在互溶剂例如醇如甲醇存在下进行。应当指出的是，在聚合物已经合成之后除去这种互溶剂；于是该聚合物是无溶剂的并且在薄膜淀积时是基本上不挥发的。
在本发明的另一个优选的形式中，聚合物通过US 6,818,721中公开的方法制备，该方法包括在(C)经选择允许反应进行的钙或镁催化剂和(D)至少一种溶剂存在下使以下物质一起反应：(A)至少一种具有至少一个硅烷醇基的含硅化合物；和(B)至少一种具有至少一个-OR基的含硅化合物，其中R代表含1-8个碳原子的烷基，或含2-8个碳原子的烷氧基烷基。有机硅缩合物是硅氧烷，最优选聚硅氧烷。
化合物(A)和(B)可以独立地是单体、二聚体、低聚体或聚合物。该至少一种含硅的化合物(A)有利地是具有1-3个含1-18个碳原子的未取代或取代的烃基的硅醇，或者可以称作具有1-4个OH基的硅醇。具有四个OH基的硅醇其最简单的形式是硅酸。优选地，硅醇是二苯基硅二醇。硅醇还可以带有可交联基团，例如，丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或苯乙烯型的双键。另一种适合的可交联基是环氧基团。在一个优选的实施方案中，该至少一种具有至少一个-OR基团的含硅化合物(B)是具有以下通式的单体化合物：
GySi(OR)4-y    (2)
其中y具有0、1、2或3的值，G代表含1-18个碳原子的未取代或取代的烃基；R代表含1-8个碳原子的烷基或含2-8个碳原子的烷氧基烷基。优选地，该至少一种含硅化合物(B)是烷氧基硅烷，其具有1-4个烷氧基。优选地，烷氧基(OR)选自由甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基、正丁氧基、异丁氧基和叔丁氧基组成的组。
如同硅醇一样，烷氧基硅烷也可以带有可交联基团，例如，丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或苯乙烯型的双键。另一种适合的可交联基是环氧基团。优选地，可交联基团在G上，但是它可以在OR上。应当指出的是，在聚合物已经合成之后除去溶剂(D)；于是该聚合物是无溶剂的并且在薄膜淀积时是基本上不挥发的。
在本发明的又一个优选形式中，如US 6,727,337中所公开的那样，通过一种或多种通式(3)的硅二醇和/或其衍生的预缩合物
Figure G2007800157203D00221
与一种或多种通式(4)的硅烷和/或其衍生的预缩合物的缩合制备硅氧烷，
Figure G2007800157203D00231
其中Ar1和Ar2独立地是含3-20个碳原子和至少一个芳族或杂芳族基团的基团，Ar1和Ar2中至少之一带有可交联的官能团；R1、R2、R3和R4独立地是含至多20个碳原子的烷基、芳烷基或芳基。优选地，通式(3)和通式(4)的比例为大约1:1。
此种缩聚物具有结构
Figure G2007800157203D00232
其中Ar1和Ar2独立地是含3-20个碳原子和至少一个芳族或杂芳族基团的基团，Ar1和Ar2中至少之一带有可交联的官能团；R1和R2独立地是含至多20个碳原子的烷基、芳烷基或芳基；q是至少1。Ar1和Ar2优选可以含5-20个碳原子。
实施例1
此实施例说明使用通过光刻/湿蚀刻技术加工的无溶剂、低Tg聚合物体系在标准硅基材上制造聚合物光波导阵列。遵循US 6,818,721中公开的程序，制备粘度为2500cP(在20℃下)和折射指数(在20℃下在具有室内灯的阿贝折射仪上测量)为1.483的低折射指数聚合物A。制备粘度为2200cP(在20℃下)和折射指数为1.509(在20℃下)的高折射指数聚合物B。在没有任何溶剂存在下将适合的光引发剂添加到聚合物A和聚合物B中。
将聚合物A旋涂到5＂直径的硅晶片上并用来自汞灯的UV光固化，形成厚度20μm、折射指数1.485(在20℃和850nm下)和Tg<10℃的下包层。将聚合物B旋涂到该下包层上以形成芯层，并用UV光经由掩模构图；然后将未曝光的聚合物B材料溶于异丙醇而形式平行波导阵列。该曝光的芯层具有11μm的厚度、1.513(在20℃和850nm下)的折射指数和<10℃的Tg。任选地，可以沉积聚合物A的上包层并按与下包层类似的方式固化。
实施例2
此实施例说明使用通过光刻/湿蚀刻技术加工的无溶剂、低Tg聚合物体系在大面积聚合物基材上制造聚合物光波导阵列。如实施例1中那样制备低折射指数的聚合物A和高折射指数的聚合物B。使用FAStar Advantage III挤出涂敷系统将聚合物A挤出到400mm×500mm×175μm的聚碳酸酯片材上以形成25μm厚的层，然后转移至旋转器，在那里通过在1500rpm下旋转15秒将它进一步平面化(和减薄)。在Tamarack PRX8000泛射发光器中用来自汞灯的UV光使该平面化薄膜固化而形成20μm厚的下包层。通过相同的挤出和旋涂方法将聚合物B沉积到下包层上而形成11μm厚的芯层，并在Tamarack303型光刻工具中经由掩模成像式曝光到UV光下。然后将未曝光的聚合物B材料溶于异丙醇以留下呈平行波导阵列形式的曝光材料。沉积聚合物A的上包层并按与下包层类似的方式固化。完成的光波导阵列是高度挠性的，能在大约2mm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
实施例3
此实施例说明使用通过模塑技术加工的无溶剂、低Tg聚合物体系在大面积聚合物基材上制造聚合物光波导阵列。
为了制备模具，将一层光致抗蚀剂旋涂到400mm×500mm的玻璃片上并在Tamarack 303光刻工具中成像式曝光到紫外线光下(经由前一个实施例中用来将聚合物B层构图的相同掩模)。将未曝光的光致抗蚀剂溶于异丙醇以产生具有所需波导图案的母体。将聚二甲基硅氧烷(PDMS)浇铸到母体上，固化并剥离而形成模具。PDMS是制备模具的优选材料，因为它具有低的表面能(即它不粘到大多数材料上)并且对UV光透明。
如实施例1中那样制备低折射指数的聚合物A和高折射指数的聚合物B。使用FAStar Advantage III挤出涂敷系统将聚合物A挤出到400mm×500mm×175μm的聚碳酸酯片材上以形成25μm厚的层，然后转移至旋转器，在那里通过在1500rpm下旋转15秒将它进一步平面化(和减薄)。在Tamarack PRX8000泛射发光器中用来自汞灯的UV光使该平面化薄膜固化而形成20μm厚的下包层。通过相同的挤出和旋涂方法将聚合物B沉积到下包层上而形成11μm厚的芯层。然后将该PDMS模具应用于聚合物B层，在Tamarack PRX8000泛射发光器中用UV光固化该聚合物，并剥离该PDMS模具以备将来之用。沉积聚合物A的上包层并按与下包层类似的方式固化。完成的光波导阵列是高度挠性的，能在大约2mm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
实施例4
此实施例说明由固化的低折射指数聚合物A和固化的高折射指数聚合物B制备的材料的低Tg性能。如实施例1中那样制备低折射指数聚合物A，将其旋涂到5＂直径的硅晶片上并用来自汞灯的UV光固化，形成厚度22μm的层。同样地，将聚合物B旋涂到5＂直径的硅晶片上并固化而形成厚度16μm的层。使用配备有加热台的Film Tek 4000薄膜表征工具，在10-120℃的温度范围内测量聚合物A和聚合物B层的折射指数，并在图4a和4b中绘图。可以看出，聚合物A和B都具有完全线性的折射指数与温度关系，在10-120℃的范围内没有玻璃化转变的证据。高至250℃(接近热稳定性极限)的类似测量同样揭示没有玻璃化转变的证据，暗示这些材料的Tg必然低于10℃。最不可能的是这些聚合物的Tg大于250℃。
以下三个实施例将描述波导基光学触摸屏传感器的某些构型，其中挠性的波导阵列是有利的。应当知道低Tg聚合物光学材料与聚合物基材的结合非常合于这一目的。在每种情况下，使用实施例1的低Tg聚合物和聚碳酸酯基材以及实施例2或3的方法制造所要求的阵列。
实施例5
在此实施例中，如图1所示将发射波导和接收波导的阵列与它们各自的平面内透镜排列在基材的L形部分上。在图1的触摸屏器件的组装期间，应当知道的是在L形基材19的边缘处的1×N分流片18必须与光源11的发射部分对齐，并且类似地，接收波导16的端部必须与多元件检测器17的元件对齐。进一步应当知道的是，这些对齐程序可能要求波导/基材组装离开平面挠曲。
实施例6
在此实施例中，发射和接收波导的阵列按标题为“Waveguideconfigurations for optical touch systems”的澳大利亚临时专利申请号2006905255中公开的“包覆”构型排列，其在此整体引入作为参考。如图5所示，发射波导50和接收波导51与它们各自的平面内透镜(未显示)在基材材料52的延长条上制造，该延长条围绕着显示器53的周边折叠。如图1所示和实施例5中描述的构型那样，1×N分流片18接收来自光源11的光并通过多元件检测器17的元件检测来自接收波导51的光。如上述澳大利亚临时专利申请号2006905255中论述那样，与图1所示的构型相比，这类“包覆”构型显著降低了该显示器53周围要求的窗口宽度。应当知道的是，此构型要求该波导/基材组装在小曲率半径下在显示器53的三个角54处弯曲至90°。
实施例7
在此实施例中，将发射和接收波导的阵列布置在基材材料的四个延长条上，发射波导阵列的两个延长条，接收波导阵列的两个延长条，然后如图3所示围绕着显示器33的边缘将它们折叠。如前面所述，与图1所示的构型相比，这类“折叠”构型显著降低了显示器周围要求的窗口宽度。
本发明已参照某些优选的实施方案进行了描述；然而应当理解的是在不脱离本发明精神或本质特性的情况下可以以其它特定形式或其变化方案实施本发明。因此认为上述实施方案在各方面是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求书而不是由上述描述限定。

Claims (106)

1.一种光波导，用作光学触摸屏传感器的组件，该波导包括在基本上挠性的基材上的光导部分，其中该光导部分由玻璃化转变温度比该光学触摸屏传感器的操作温度低的聚合物组成。
2.根据权利要求1的光波导，其中该光学触摸屏传感器的操作温度在0℃-50℃的范围内。
3.根据权利要求2的光波导，其中该光学触摸屏传感器的操作温度在0℃-35℃的范围内。
4.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该光导部分由玻璃化转变温度低于100℃的聚合物组成。
5.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该光导部分由玻璃化转变温度低于50℃的聚合物组成。
6.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该光导部分由玻璃化转变温度低于25℃的聚合物组成。
7.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该光导部分由玻璃化转变温度低于10℃的聚合物组成。
8.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该光波导可以在小于100cm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
9.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该光波导可以在小于10cm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
10.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该光波导可以在小于小于1cm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
11.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该光波导可以在小于2mm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
12.根据权利要求1的光波导，其中该基材是聚合物基材。
13.根据权利要求12的光波导，其中该光导部分由玻璃化转变温度低于该聚合物基材的玻璃化转变温度的聚合物组成。
14.根据权利要求12或13的光波导，其中该聚合物基材具有大于80℃的玻璃化转变温度。
15.根据权利要求12或13的光波导，其中该聚合物基材具有大于150℃的玻璃化转变温度。
16.根据权利要求12或13的光波导，其中该聚合物基材具有大于350℃的玻璃化转变温度。
17.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该光导部分如下形成：将可固化液体聚合物材料沉积到该基材上，并使它固化而形成交联聚合物材料。
18.根据权利要求17的光波导，其中该可固化液体聚合物材料是基本上不挥发的。
19.根据权利要求18的光波导，其中该可固化液体聚合物材料不含任何溶剂。
20.根据权利要求17的光波导，其中该可固化液体聚合物材料通过UV引发的自由基聚合而固化。
21.根据权利要求17的光波导，其中该可固化液体聚合物材料通过选自由UV平版印刷与湿蚀刻和模塑组成的组的方法进行加工。
22.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该聚合物光导部分的厚度是0.5μm-250μm。
23.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该聚合物光导部分的厚度为3μm-50μm。
24.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该聚合物光导部分的厚度为5μm-25μm。
25.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该基材的厚度是25μm-1mm。
26.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该基材的厚度为75μm-250μm。
27.根据权利要求1-3中任一项的光波导，其中该基材的厚度为大约175μm。
28.根据权利要求1-3中任一项的光波导，还包括在所述聚合物光导部分和所述基材之间的下包层。
29.根据权利要求1-3中任一项的光波导，还包括与所述聚合物光导部分的至少一部分接触的上包层。
30.一种光波导，用作光学触摸屏传感器的组件，该波导包括在基本上挠性的基材上的光导部分，其中该光导部分由玻璃化转变温度比该光学触摸屏传感器的操作温度低的聚合物组成并且其中该光导部分如下形成：将基本上不挥发的可固化液体硅氧烷聚合物沉积到该基材上，并使它固化而形成交联的硅氧烷聚合物。
31.根据权利要求30的光波导，其中该光导部分由玻璃化转变温度低于50℃的聚合物组成。
32.根据权利要求30的光波导，其中该光导部分由玻璃化转变温度低于25℃的聚合物组成。
33.根据权利要求30的光波导，其中该光导部分由玻璃化转变温度低于10℃的聚合物组成。
34.一种装置，包括：
光源；
经光学耦合从所述光源接收光的发射波导部分，所述发射波导部分产生按第一方向传播的第一组光束；
按第一方向与所述发射波导部分隔开的接收波导部分，所述接收波导部分接收所述第一组光束；
所述发射波导部分和所述接收波导部分之间的输入区；
与所述接收波导部分光学耦合并包括一个或多个光检测元件的光检测器，在所述光束已经穿过所述输入区之后所述光检测元件基本上同时检测所述第一组光束中每一个的光分布；
其中所述发射波导部分和所述接收波导部分中的至少一个包括光导部分和基本上挠性的基材；和
其中所述光导部分由玻璃化转变温度比该装置的操作温度低的聚合物组成。
35.根据权利要求34的装置，其中该光发射部分包括单个波导。
36.根据权利要求34或35的装置，其中该操作温度在0℃-50℃的范围内。
37.根据权利要求34或35的装置，其中该操作温度在0℃-35℃的范围内。
38.根据权利要求34或35的装置，其中所述发射波导部分和所述接收波导部分中的至少一个可以在小于100cm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
39.根据权利要求34或35的装置，其中所述发射波导部分和所述接收波导部分中的至少一个可以在小于10cm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
40.根据权利要求34或35的装置，其中所述发射波导部分和所述接收波导部分中的至少一个可以在小于1cm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
41.根据权利要求34或35的装置，其中所述发射波导部分和所述接收波导部分中的至少一个可以在小于2mm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
42.根据权利要求34的装置，其中该基材是聚合物基材。
43.根据权利要求42的装置，其中该聚合物光导部分具有比该聚合物基材的玻璃化转变温度低的玻璃化转变温度。
44.根据权利要求42或43的装置，其中该聚合物基材具有大于80℃的玻璃化转变温度。
45.根据权利要求42或43的装置，其中该聚合物基材具有大于150℃的玻璃化转变温度。
46.根据权利要求42或43的装置，其中该聚合物基材具有大于350℃的玻璃化转变温度。
47.根据权利要求36的装置，其中该聚合物光导部分具有低于100℃的玻璃化转变温度。
48.根据权利要求36的装置，其中该聚合物光导部分具有低于50℃的玻璃化转变温度。
49.根据权利要求36的装置，其中该聚合物光导部分具有低于25℃的玻璃化转变温度。
50.根据权利要求36的装置，其中该聚合物光导部分具有低于10℃的玻璃化转变温度。
51.根据权利要求36的装置，其中该聚合物光导部分如下形成：将可固化液体聚合物材料沉积到该基材上，并使它固化而形成交联的聚合物材料。
52.根据权利要求51的装置，其中该可固化液体聚合物材料是基本上不挥发的。
53.根据权利要求51或52的装置，其中该可固化液体聚合物材料不含任何溶剂。
54.根据权利要求51或52的装置，其中该可固化液体聚合物材料通过UV引发的自由基聚合而固化。
55.根据权利要求51或52的装置，其中该可固化液体聚合物材料通过选自由UV平版印刷与湿蚀刻和模塑组成的组的方法进行加工。
56.根据权利要求34或35的装置，其中该聚合物光导部分的厚度是0.5μm-250μm。
57.根据权利要求34或35的装置，其中该聚合物光导部分的厚度为3μm-50μm。
58.根据权利要求34或35的装置，其中该聚合物光导部分的厚度为5μm-25μm。
59.根据权利要求42或43的装置，其中该基材的厚度是25μm-1mm。
60.根据权利要求42或43的装置，其中该基材的厚度为75μm-250μm。
61.根据权利要求42或43的装置，其中该基材的厚度为大约175μm。
62.根据权利要求42或43的装置，还包括在所述聚合物光导部分和所述基材之间的下包层。
63.根据权利要求42或43的装置，还包括与所述聚合物光导部分的至少一部分接触的上包层。
64.根据权利要求34或35的装置，其中所述装置是电子器件的输入器件，和
其中在所述发射波导部分和所述接收波导部分之间产生输入区。
65.根据权利要求64的装置，其中用户通过与该输入区相互作用为该电子器件提供输入。
66.根据权利要求65的装置，其中用户用手指或触针与该输入区相互作用。
67.根据权利要求34或35的装置，所述装置呈光学触摸屏传感器的形式。
68.根据权利要求34或35的装置，所述装置呈计算机、游戏或无线电通讯器件或其混合器件的形式。
69.根据权利要求34或35的装置，其中：
所述发射波导部分还产生按不同于所述第一方向的第二方向传播的第二组光束；和
所述接收波导部分还接收所述第二组光束。
70.根据权利要求69的装置，其中所述第二方向垂直于所述第一方向。
71.一种电子器件的输入器件，包括：
至少一个光源；
在多个光检测元件处检测光强度的光检测器；
限定平面的输入区；和
平版印刷限定的波导结构，其包括可分成多组波导的多个波导，其中所述光源将光耦合到所述波导结构的第一组波导中，所述第一组波导引导耦合进入该波导的光以产生第一网格光束，并且所述第一网格光束按第一方向穿过该输入区然后被所述波导结构的第二组波导引导至所述光检测器的光检测元件；
其中所述第一组和所述第二组波导中至少一组包括光导部分和基本上挠性的基材；
其中所述光导部分由玻璃化转变温度比该输入器件的操作温度低的聚合物组成。
72.根据权利要求71的装置，其中该操作温度在0℃-50℃的范围内。
73.根据权利要求72的装置，其中该操作温度在0℃-35℃的范围内。
74.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中所述第一组和所述第二组波导中至少一组可以在小于100cm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
75.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中所述第一组和所述第二组波导中至少一组可以在小于10cm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
76.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中所述第一组和所述第二组波导中至少一组可以在小于1cm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
77.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中所述第一组和所述第二组波导中至少一组可以在小于2mm的曲率半径下反复和可逆地弯曲至180°。
78.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该基材是聚合物基材。
79.根据权利要求78的输入器件，其中该聚合物光导部分具有比该聚合物基材的玻璃化转变温度低的玻璃化转变温度。
80.根据权利要求78的输入器件，其中该聚合物基材具有大于80℃的玻璃化转变温度。
81.根据权利要求78的输入器件，其中该聚合物基材具有大于150℃的玻璃化转变温度。
82.根据权利要求78的输入器件，其中该聚合物基材具有大于350℃的玻璃化转变温度。
83.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该聚合物光导部分具有低于50℃的玻璃化转变温度。
84.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该聚合物光导部分具有低于25℃的玻璃化转变温度。
85.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该聚合物光导部分具有低于10℃的玻璃化转变温度。
86.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该聚合物光导部分如下形成：将可固化液体聚合物材料沉积到该基材上，并使它固化而形成交联聚合物材料。
87.根据权利要求86的输入器件，其中该可固化液体聚合物材料是基本上不挥发的。
88.根据权利要求87的输入器件，其中该可固化液体聚合物材料不含任何溶剂。
89.根据权利要求87或88的输入器件，其中该可固化液体聚合物材料通过UV引发的自由基聚合而固化。
90.根据权利要求89的输入器件，其中该可固化液体聚合物材料通过选自由UV平版印刷与湿蚀刻和模塑组成的组的方法进行加工。
91.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该聚合物光导部分的厚度是0.5μm-250μm。
92.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该聚合物光导部分的厚度为3μm-50μm。
93.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该聚合物光导部分的厚度为5μm-25μm。
94.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该基材的厚度是25μm-1mm。
95.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该基材的厚度为75μm-250μm。
96.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该基材的厚度为大约175μm。
97.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，还包括在所述聚合物光导部分和所述基材之间的下包层。
98.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，还包括与所述聚合物光导部分的至少一部分接触的上包层。
99.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，所述输入器件呈光学触摸屏传感器的形式。
100.根据权利要求99的输入器件，其中用户通过与该输入区相互作用提供输入。
101.根据权利要求100的输入器件，其中用户用手指或触针与该输入区相互作用。
102.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，其中该电子器件是计算机、游戏或无线电通讯器件或其混合器件。
103.根据权利要求71-73中任一项的输入器件，还包括所述波导结构的第三组波导和所述波导结构的第四组波导，其中所述光源将光耦合到所述第三组波导中，所述第三组波导引导耦合进入该波导的光而产生第二网格光束，并且所述第二网格光束按不同于所述第一方向的第二方向穿过该输入区，然后被所述波导结构的所述第四组波导引导至所述光检测器的光检测元件。
104.根据权利要求103的输入器件，其中所述第三组和所述第四组波导中至少一组包括光导部分和基材；
其中所述光导部分由玻璃化转变温度比该输入器件的操作温度低的聚合物组成。
105.根据权利要求103的输入器件，其中所述输入区是矩形的。
106.根据权利要求105的输入器件，其中所述第二方向垂直于所述第一方向。
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