CN105511702B - 一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏 - Google Patents

一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏 Download PDF

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Abstract

一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，其结构包括盖板层、OCA光学胶层a、上层石墨烯透明导电薄膜层、下层石墨烯透明导电薄膜层、压力敏感性聚合物弹性体、OCA光学胶层b、显示模组、外围电路、接口芯片a、外围电路、接口芯片b及主控芯片。两层石墨烯透明导电薄膜层中间设有一层透明绝缘的聚合物弹性体以适应外部触控压力的变化。工作时，触控压力引起聚合物弹性体的局部形变，导致局部电容的变化，而推算出触控压力的大小。并且通过对聚合物弹性体的微纳结构化设计可提高压力感知的灵敏度。本发明所述石墨烯触摸屏实现了压力感应，具有可折叠、高灵敏度、轻薄、高透光率、高电导率、低成本、绿色环保的优点，为新型触控设备奠定基础。

Description

一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏
技术领域
本发明属于电子信息技术触摸屏领域，特别涉及一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏。
背景技术
触摸屏又称为“触控屏”、“触控面板”，因具有易操作性、直观性和灵活性等优点，已成为个人移动通信设备和综合信息终端如智能手机、平板电脑、智能手机、超级笔记本电脑、可穿戴式设备以及机器设备的操作界面等主要人机交互手段。触摸屏根据不同的工作原理可分为电容触摸屏、电阻触摸屏、红外触摸屏和表面声波触摸屏等四种主要类型。其中电容触摸屏具有多点触控、反应时间快、使用寿命长、透光率高以及用户使用体验优越等一系列优势。同时随着工艺的逐步成熟，良品率得到显著提高，价格日益降低，电容触摸屏目前已成为中小尺寸信息终端触控交互的主要方式。
近年来，石墨烯触摸屏的应用受到了极大关注，尤其在未来的柔性显示、可穿戴式设备等领域拥有广泛的市场前景。但是，现阶段的电容式触摸屏包括石墨烯触摸屏，仅感知屏体所在平面(X，Y轴二维空间)的触摸位置，难以支持垂直于屏体平面(Z轴)的触摸参数感知，即压力的感应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，实现平面位置信息和Z轴压力的感应。
本发明所涉及的一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，包括盖板层、OCA光学胶层a、上层石墨烯透明导电薄膜层、下层石墨烯透明导电薄膜层、压力敏感性聚合物弹性体、OCA光学胶层b、显示模组、外围电路、接口芯片a、外围电路、接口芯片b及主控芯片；在上层石墨烯透明导电薄膜层和下层石墨烯透明导电薄膜层的中间设置一层透明绝缘的聚合物弹性体，在压力作用下聚合物弹性体能够产生明显的形变，聚合物弹性体为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、TPU(聚氨酯弹性体)、硅橡胶或聚氨酯橡胶等材料中的一种，厚度为0.1～500um；石墨烯透明导电薄膜层采用规模化的CVD方法制备，并大面积转移至透明柔性基底上，其层数为1～10层，其方阻为10～1000Ω/□，其透光率为80～97％；上层石墨烯和下层石墨烯通过外围电路及接口芯片将触摸位置信息及压力信息传输至主控芯片，主控芯片根据接口芯片a和接口芯片b的输入信息，得到对石墨烯电容式触摸屏操作的触摸位置及对应的触摸压力。
所述的上层石墨烯透明导电薄膜层中的石墨烯被分割为多条相互等间距且平行的纵向传导区域，下层石墨烯层透明导电薄膜层中的石墨烯被分割为多条相互等间距且平等的横向传导区域。
所述的压力敏感性聚合物弹性体，可以为光滑的弹性体薄膜，或者可以进一步在弹性体薄膜表面设置微纳米结构，以增强弹性体在相同压力作用下的弹性形变能力，从而提高压力传感的灵敏度，表面微纳结构包括金字塔、圆柱、矩形柱子、正六边形柱子、圆锥等，其特征尺寸为100nm～100um，高度为100nm～100um。
所述的接口芯片包括纵向电路的接口芯片a和横向电路的接口芯片b，其中上层石墨烯的纵向传导区域通过纵向传导区域的外围电路与纵向电路接口芯片a相连，下层石墨烯的横向传导区域通过横向传导区域的外围电路与横向电路接口芯片b相连。
所述的接口芯片a采集并处理纵向Y方向位置信息，接口芯片b采集并处理横向X方向位置信息，并将(X,Y)信息输入到主控芯片得到触控的具体位置信息。
所述的主控芯片将(X,Y)位置处的上下两层石墨烯所构成电容的变化进行采集，并处理为压力值。
本发明所涉及的石墨烯电容式触摸屏具有压力感应能力，压力感应范围为0.1Pa～100kPa，其应用包括触摸屏手机、触摸屏电脑、可穿戴式设备的触摸屏显示等。
附图说明
图1为实施例一所述的具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏的器件结构截面图，其中101为盖板层，102为OCA光学胶层a，103为上层石墨烯透明导电薄膜层，104为压力敏感性聚合物弹性体，105为下层石墨烯透明导电薄膜层，106为OCA光学胶层b，107为显示模组；
图2为触摸屏的石墨烯电路图，其中201为上层石墨烯的纵向传导区域，202为下层石墨烯的横向传导区域，203为纵向传导区域的外围电路，204为纵向电路的接口芯片a，205为横向传导区域的外围电路，206为横向电路的接口芯片b，207为主控芯片；
图3为实施例二所述的具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏的器件结构截面图，其中301为盖板层，302为OCA光学胶层a，303为上层石墨烯透明导电薄膜层，304为压力敏感性聚合物弹性体，305为下层石墨烯透明导电薄膜层，306为OCA光学胶层b，307为显示模组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例一
本实施例的压力感应的石墨烯电容式触摸屏的器件结构如图1所示，上层石墨烯透明导电薄膜层103和下层石墨烯透明导电薄膜层105均采用CVD生长石墨烯制成，并通过大面积转移方法转移至柔性PET基底上，所述石墨烯的层数为1层，方阻为200Ω/sq，透光率范围为91％。
本实施例中，石墨烯透明导电薄膜的图形化通过光刻、刻蚀的方法实现。
本实施例中，所述石墨烯电容触摸屏还包括压力敏感性聚合物弹性体104，所述上层石墨烯透明导电薄膜层103和下层石墨烯透明导电薄膜层105分别位于压力敏感性聚合物弹性体104的上下表面。
本实施例中，所述压力敏感性聚合物弹性体104采用PDMS材料，厚度为50um，表面进行微纳结构化处理。
本实施例中，所述微纳结构为金字塔形，特征尺寸为5um，高度为5um。
本实施例中，上层石墨烯透明导电薄膜层103通过激光刻蚀的方法被分割为多条相互等间距且平行的纵向传导区域201，下层石墨烯透明导电薄膜层105通过激光刻蚀的方法被分割为多条相互等间距且平行的横向传导区域202。
本实施例中，纵向传导区域201通过纵向传导区域的外围电路203与纵向电路接口芯片204相连，下层石墨烯的横向传导区域202通过横向传导区域的外围电路205与横向电路的接口芯片206相连。
本实施例中，接口芯片204与接口芯片206连接至主控芯片，用以采集并处理触摸屏的位置信息和压力信息。
本实施例中，所述电容触摸屏还包括盖板层101、显示模组107和OCA光学胶层a102和OCA光学胶层b106，所述盖板层101通过OCA光学胶层a102与上层石墨烯透明导电薄膜层103粘接在一起，所述显示模组107通过OCA光学胶层b106与下层石墨烯透明导电薄膜层105粘接在一起。
本实施例中，所述盖板层101采用透明玻璃材料制成。
实施例二
本实施例的压力感应的石墨烯电容式触摸屏的器件结构如图3所示，所述上层石墨烯透明导电薄膜层303和下层石墨烯透明导电薄膜层305均采用CVD生长石墨烯制成，并通过大面积转移方法转移至柔性PI基底上，所述石墨烯的层数为3层，方阻为100Ω/sq，透光率范围为85％。
本实施例中，所述石墨烯电容触摸屏还包括压力敏感性聚合物弹性体304，所述上层石墨烯透明导电薄膜层303和下层石墨烯透明导电薄膜层305分别位于压力敏感性聚合物弹性体304的上下表面。
本实施例中，所述压力敏感性聚合物弹性体304采用TPU材料，厚度为200um，表面不进行微纳结构化处理。
本实施例中，上层石墨烯透明导电薄膜层303通过激光刻蚀的方法被分割为多条相互等间距且平行的纵向传导区域201，下层石墨烯透明导电薄膜层305通过激光刻蚀的方法被分割为多条相互等间距且平行的横向传导区域202。
本实施例中，纵向传导区域201通过纵向传导区域的外围电路203与纵向电路接口芯片204相连，下层石墨烯的横向传导区域202通过横向传导区域的外围电路205与横向电路的接口芯片206相连。
本实施例中，接口芯片204与接口芯片206连接至主控芯片，用以采集并处理触摸屏的位置信息和压力信息。
本实施例中，所述电容触摸屏还包括盖板层301、显示模组307和OCA光学胶层a302和OCA光学胶层b306，所述盖板层301通过OCA光学胶层a302与上层石墨烯透明导电薄膜层303粘接在一起，所述显示模组307通过OCA光学胶层b306与下层石墨烯透明导电薄膜层305粘接在一起。
本实施例中，所述盖板层301采用聚对苯二甲酸乙二醇酯PET材料制成。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，包括盖板层(101)、OCA光学胶层a(102)、上层石墨烯透明导电薄膜层(103)、下层石墨烯透明导电薄膜层(105)、压力敏感性聚合物弹性体(104)、OCA光学胶层b(106)、显示模组(107)、纵向传导区域的外围电路(203)、接口芯片a(204)、横向传导区域的外围电路(205)、接口芯片b(206)及主控芯片(207)；其特征是：在上层石墨烯透明导电薄膜层(103)和下层石墨烯透明导电薄膜层(105)的中间设置一层透明绝缘的聚合物弹性体(104)，在压力作用下聚合物弹性体能够产生明显的形变，聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、硅橡胶或聚氨酯橡胶中的一种，厚度为0.1～500um；石墨烯透明导电薄膜层(105)采用规模化的CVD方法制备，并大面积转移至透明柔性基底上，其层数为1～10层，其方阻为10～1000Ω/□，其透光率为80～97％；上层石墨烯和下层石墨烯通过外围电路及接口芯片将触摸位置信息及压力信息传输至主控芯片(207)，主控芯片(207)根据接口芯片a(204)和接口芯片b(206)的输入信息，得到对石墨烯电容式触摸屏操作的触摸位置及对应的触摸压力；在弹性体薄膜表面设置微纳米结构，以增强弹性体在相同作用力下的弹性形变能力，从而提高压力传感的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，其特征是：上层石墨烯透明导电薄膜层(103)中的石墨烯被分割为多条相互等间距且平行的纵向传导区域(201)，下层石墨烯层透明导电薄膜层(105)中的石墨烯被分割为多条相互等间距且平等的横向传导区域(202)。
3.根据权利要求1所述的一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，其特征是：表面微纳结构包括金字塔、圆柱、矩形柱子、正六边形柱子、圆锥，其特征尺寸为100nm～100um，高度为100nm～100um。
4.根据权利要求1所述的一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，其特征是：所述的接口芯片包括纵向电路的接口芯片a(204)和横向电路的接口芯片b(206)，其中上层石墨烯的纵向传导区域(201)通过纵向传导区域的外围电路(203)与纵向电路接口芯片a(204)相连，下层石墨烯的横向传导区域(202)通过横向传导区域的外围电路(205)与横向电路接口芯片b(206)相连。
5.根据权利要求1所述的一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，其特征是：所述的接口芯片a(204)采集并处理纵向Y方向位置信息，接口芯片b(206)采集并处理横向X方向位置信息，并将(X,Y)信息输入到主控芯片(207)得到触控的具体位置信息。
6.根据权利要求1所述的一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，其特征是：所述的主控芯片(207)将触摸位置处的上下两层石墨烯所构成电容的变化进行采集，并处理为压力值。
7.根据权利要求1所述一种具有压力感应的石墨烯电容式触摸屏，其特征在于压力感应范围为0.1Pa～100kPa。
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