一种USB接口静电压虚拟感知触控屏及其对应的制备方法与流程

一种usb接口静电压虚拟感知触控屏及其对应的制备方法
技术领域
1.本发明涉及触控屏的技术领域，具体为一种usb接口静电压虚拟感知触控屏，本发明还提供了usb接口静电压虚拟感知触控屏的制备方法。


背景技术：

2.现在的电子产品已经普遍采用了触摸屏技术来操作，随着电子产品的涵盖范围的扩大，对客观环境的虚拟感受也出现了要求。现代虚拟技术已经不断发展和完善，需要有一种与之配合的硬件技术，即体验虚拟触感操作电子产品。但是，现有的感知触控屏，其制作成本高，且价格昂贵。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供了一种usb接口静电压虚拟感知触控屏，其附加在触摸屏产品的表面附，即可体验虚拟触控操作电子产品，其制作成本低。
4.一种usb接口静电压虚拟感知触控屏，其特征在于，其包括：
5.透明基体；
6.第一硬化层；
7.虚拟触控薄膜；
8.防眩光膜；
9.dc/dc变换模块；
10.usb接口；
11.所述透明基体的第二表面上设置ito薄膜组件、形成虚拟触控薄膜，所述虚拟触控薄膜的第二表面覆合有第一硬化层，所述第一硬化层的第二表面设置有防炫光膜；
12.所述虚拟触控薄膜的电极接线区连接dc
‑
dc变换模块的电压输出端，所述usb接口连接有所述dc
‑
dc变换模块的电压输入端；
13.第一表面具体为每层膜或组件的相对朝内布置的表面，第二表面具体为每层膜或组件的相对朝外布置的表面，相对朝内具体为朝向窗口侧设置，相对朝外具体为朝向人体侧设置。
14.其进一步特征在于：
15.所述防眩光膜的第二表面覆盖有第二硬化层；
16.所述透明基体具体为光学平板玻璃、pet薄膜或pmma；
17.所述dc/dc变换模块所对应的电路集成于fpc上，所述虚拟触控薄膜的外周以区域集成有电极接线区；
18.所述电极接线区具体为金手指结构或导线输入输出结构。
19.一种usb接口静电压虚拟感知触控屏的制备方法，其特征在于：
20.a、透明基材通过磁控溅射方法制作虚拟触控薄膜、使得透明基材的第二表面形成ito薄膜组件，之后在虚拟触控薄膜层上设置第一硬化层；
21.b、在第一硬化层的第二表面通过真空磁控溅射镀膜制作防眩光膜。
22.其用磁控溅射技术粗糙化基材表面形成虚拟触控薄膜、防眩光膜，其方法操作简单，一致性易掌控，适于规模化制作，成本可控。
23.其进一步特征在于：c、在防眩光膜的第二表面做表面加硬处理。
24.其更进一步特征在于：
25.步骤a中虚拟触控薄膜的制作，用透明光学透过率不低于92％的透明基材，在需要成膜的一面做清洁和去静电处理，然后将基片送入真空磁控溅射镀膜机，做磁控溅射ito镀膜，镀膜成膜需要达到透过率不低于92％，膜层厚度达到15nm；
26.步骤a中，具体操作如下:
27.a1、将预处理好的基片送入真空环境，用阴极磁控溅射方法镀制一层ito薄膜，厚度在15nm；
28.a2、然后向真空环境注入氩气，使环境真空下降到2.5
‑
5.5e
‑
1 torr；
29.a3、检测氩气和氧气的分压强，使两者的比例控制在1:1，必要时环境补充氧气；
30.a4、打开直流磁控溅射电源，调整电源功率，将溅射靶材的功率密度控制在2.0～5.0w/cm2范围内；
31.a5、向真空环境缓慢注入氩气，在无氧环境下对镀膜的基材缓慢降温，做退火处理，然后做ito表面保护处理；
32.a6、在固化的ito表面做第一硬化层。
33.步骤a6中，第一硬化层采用涂布方法制作，在虚拟触薄膜的第二表面涂布一层加硬剂，第一硬化层的厚度通过掩膜板控制，然后用紫外光照射固化，使得第一硬化层的目标硬度要不低于6h。
34.步骤b中，具体操作如下，采用真空磁控溅射镀膜技术，制作防眩光膜，将有虚拟触控薄膜和第一硬化层的透明基体送入真空环境，在真空状态下，采用真空轰击法粗糙化第一硬化层的第二表面，生成防眩光膜，防眩光膜在真空环境下一次完成；
35.步骤b的制作设备采用磁控真空连续镀膜机；
36.步骤c，具体操作如下，
37.c1对完成防眩光膜制作的透明基体做表面加硬处理，在带防眩光膜的第二表面面涂一层硬化剂形成基膜；
38.c2、将涂有硬化剂的基膜做紫外线硬化。
39.其再更进一步特征在于：
40.在进行步骤a6、b、c1之前，均预留出电极接线区；
41.预留出的电级接线区通过装配组装有金手指结构。
42.采用本发明后，触控电极部分(虚拟触控薄膜)和防眩光膜是在一块透明基体上，其保证了整个触屏的结构紧凑；且整个虚拟触控屏的结构简单，制程操作步骤少，制程过程工艺也容易控制，适合量化生产；其将防眩光的薄膜置ito膜层的相对外表面，即兼顾了防眩光膜结构的特性，又兼具虚拟感知触控屏的偶极作用，其采用的dc
‑
dc变换模块通过usb接口将低压的直流电压变换成相对高压直流电压送到虚拟触控薄膜上，其使得虚拟触控薄膜的输入直流电压通过usb接口接插方式从电子产品的usb接口获得，整个虚拟感知触控屏附加在触摸屏产品的表面附，即可体验虚拟触控操作电子产品，其制作成本低。
附图说明
43.图1为本发明实施例的横截面剖视示意图；
44.图2为图1的a处局部放大结构示意图；
45.图3为本发明的usb接口、dc/dc变换模块和虚拟触控薄膜的连接示意框图；
46.图4为人体触控和屏板的静电关系示意图一：
47.图5为人体触控和屏板的静电关系原理图；
48.图6为人体触控和屏板的静电关系示意图二；
49.图中序号所对应的名称如下：
50.透明基体1、虚拟触控薄膜2、第一硬化层3、防眩光膜4、第二硬化层5、dc/dc变换模块6、usb接口7。
具体实施方式
51.一种防眩光虚拟感知触控屏，见图1
‑
图3：其包括透明基体1、第一硬化层3、虚拟触控薄膜2、防眩光膜4、dc/dc变换模块6、usb接口7；透明基体1的第二表面上设置ito薄膜组件、形成虚拟触控薄膜2，虚拟触控薄膜2的第二表面覆合有第一硬化层3，第一硬化层3的第二表面设置有防炫光膜4；虚拟触控薄膜2的电极接线区连接dc
‑
dc变换模块6的电压输出端，usb接口7连接有dc
‑
dc变换模块6的电压输入端。
52.第一表面具体为每层膜或组件的相对朝内布置的表面，第二表面具体为每层膜或组件的相对朝外布置的表面，相对朝内具体为朝向窗口侧设置，相对朝外具体为朝向人体侧设置。
53.具体实施例中，防眩光膜4的第二表面覆盖有第二硬化层5。
54.透明基体1具体为光学平板玻璃、pet薄膜或pmma。
55.具体实施时，dc/dc变换模块6所对应的电路集成于fpc上，虚拟触控薄膜2的外周一区域集成有电极接线区；确保电极接线区的组装方便快捷。
56.具体实施时，电极接线区具体为金手指结构或导线输入输出结构。
57.文中虚拟触控屏的虚拟触觉实现、虚拟触控屏的人体触控和屏板的静电关系见图4
‑
图6。屏板最上层和手指是非导电的介质。屏板下的虚拟触控薄膜加有直流电压，当手指按下后，手指区域和下面的屏板的手指影印区域，注意不是整个屏板，就形成了一个电容耦合极板关系。这样接触屏板的人体手指皮肤角质和ito层的屏板外层就形成了一个微小的静电场。由于屏板加的电压大小是可以调节的，而手指通过人体和大地相连。人体相当于是一个电解质，这样手指在屏板按压区的角质就被电场极化，微小电场对手指产生一个静电力f
electrostatic
。当手指在屏板上滑动时手指表皮角质会与屏板表面产生一个摩擦力f
friction
，静电力作用于手指，使手指产生真实环境的触摸感觉。静电力的大小可以通过下列公式计算获得：
[0058][0059]
公式参数含义如下
[0060]
tg：空气间隙～1μm
[0061]
ε0：真空介电常数
[0062]
εs：手指介电常数(皮肤角质层)
[0063]
εp：硬化层介电常数
[0064]
ts：手指皮肤角质厚度
[0065]
tp：硬化层厚度
[0066]
v：＝v_s人体静电电压
[0067]
v是供给触摸屏ito薄膜层电极的电压，可以通过植入的程序设置大小，从而可以设定静电力的大小。通过不同大小的静电力，可以产生不同大小的摩擦力，使手指可以感觉到不同客观实体的触摸体验。再配合显示屏不同物体、不同形体的视觉感知就形成了一个虚拟感知触控屏。
[0068]
摩擦力和静电力的关系式见下
[0069][0070]
f
friction
＝
‑
μf
electrostatic
[0071]
虚拟触控屏的人体触控和屏板的静电关系的电模型见图4
‑
6，从手指到触摸屏板相当于由3个电容串联组成，则总电容c
t
和各部分电容之间关系满足
[0072][0073]
而电容
[0074]
静电力f
electrostatic
是
[0075][0076]
也就是静电力大小等于手指和触摸屏板间的静电压沿着屏板方向的压降。结合电容的关系式最后可以得到以下算式
[0077][0078]
由于空气的介电常数ε0≈1，所以上式就成为
[0079][0080]
一旦触摸屏版尺寸和材料确定后，上式v就是唯一的变量，屏板表面摩擦系数μ也是确定的，这样可以通过调节电压v改变静电力f
electrostatic
的大小，也同时改变了手指和屏板表面滑动摩擦力f
friction
的大小。根据力学原理，物体表面摩擦力f
friction
为
[0081][0082]
v是滑动速率向量，|v|是滑动速率模量。μ是摩擦系数。这样就可以通过调节电压v确定摩擦力f
friction
的大小，也就是虚拟触觉感应的强烈程度。应用中可以根据操作者的体验程度，调节摩擦力的大小，实现操作者对客观物体触摸的虚拟体验。
[0083]
一种usb接口静电压虚拟感知触控屏的制备方法：
[0084]
a、透明基材通过磁控溅射方法制作虚拟触控薄膜、使得透明基材的第二表面形成ito薄膜组件，之后在虚拟触控薄膜层上设置第一硬化层；
[0085]
b、在第一硬化层的第二表面通过真空磁控溅射镀膜制作防眩光膜。
[0086]
c、在防眩光膜的第二表面做表面加硬处理。
[0087]
具体实施时，透明基材为透明的0.18mm厚度、光学透过率不低于92％的pet薄膜；
[0088]
步骤a中虚拟触控薄膜的制作，采用pet薄膜，在需要成膜的一面做清洁和去静电处理，然后将基片送入真空磁控溅射镀膜机，镀膜腔室500℃环境温度下,做磁控溅射ito镀膜，镀膜成膜需要达到透过率不低于92％，膜层厚度达到15nm、表明电阻<15ω；镀膜结束后腔室注入氩气降温退火处理，等到接近室温后取出；
[0089]
具体操作如下:
[0090]
a1、将预处理好的基片送入真空环境，用阴极磁控溅射方法镀制一层ito薄膜，厚度在15nm，环境真空度要控制在2.0e
‑
5torr以上。另外为了保证制作的薄膜能够很好的结晶，真空环境要提供500℃的温度；
[0091]
a2、然后向真空环境注入氩气，使环境真空下降到2.5
‑
5.5e
‑
1torr；掌握原则是高浓度的氩气原子量可以增加溅射额度，提高镀膜的成膜效率。但是高浓度的氩原子量会损失被溅射出的ito分子的动能，影响成膜的质量。所以具体制作时要综合兼顾两者的因素；
[0092]
a3、检测氩气和氧气的分压强，使两者的比例控制在1:1，必要时环境补充氧气；控制氧气浓度可以控制ito成膜后的透过率和面电阻率，因为氧原子可以控制ito的金属化，就是防止氧化铟锡出现逆向化学反应，使成膜即有好的透光率又有低的面电阻；
[0093]
a4、打开直流磁控溅射电源，调整电源功率，将溅射靶材的功率密度控制在2.0～5.0w/cm2范围内，控制制作的ito薄膜的透光率控制在90％以上，面电阻控制在15ω以下；
[0094]
a5、向真空环境缓慢注入氩气，在无氧环境下对镀膜的基材缓慢降温，做退火处理，然后做ito表面保护处理；
[0095]
a6、在固化的ito表面做第一硬化层，在虚拟触薄膜的第二表面涂布一层加硬剂，第一硬化层的厚度通过掩膜板控制，厚度为0.05mm，然后用紫外光照射固化20分钟，使得第一硬化层的目标硬度要不低于6h。
[0096]
步骤b采用真空磁控溅射镀膜技术制作防眩光膜，将有虚拟触控薄膜和第一硬化层的透明基体送入真空环境，在真空状态下，采用真空轰击法粗糙化第一硬化层的第二表面，轰击深度控制在2μm以内,生成防眩光膜,防眩光膜在真空环境下一次完成；
[0097]
步骤b中，具体操作如下，采用真空磁控溅射镀膜技术，制作防眩光结构薄膜，将有ito薄膜组件和第一硬化层的透明基体送入真空环境，在真空状态下，采用真空轰击法粗糙化第一硬化层的第二表面，生成防眩光膜，防眩光膜在真空环境下一次完成；具体操作如下，作业时在环境真空度高于5e
‑
6torr的时候，先打开电源，然后向阳极腔内提供氩气。阳极腔内布置有强磁极对，且磁场方向和电极方向在空间上相互垂直。阳极在电场力的作用下会从阴极板向阳极板发射电子。由于阳极腔内布置有强磁场，电子射出后会在垂直的电场力的作用下，做螺旋前进运动。这样电子会反复地高速撞击充入腔内的氩气原子，使无极性的氩原子畸变成有极性的氩原子偶极子等离子体。这个时候氩原子的质心和其电极中心不再像中性状态的那样重合。变成了一个有极性的等离子体粒子。偶极子等离子体具有偶
极矩，在电场力的作用下会自动地选择电极矩的方向。由于阳极板上开有多个小孔，腔内与腔外存在压力差，同时也是由于腔内电场力和磁场力的共同作用，使氩原子等离子体获得能量而飞出腔外。一般情况下，会将基板构造成一个低电位的环境，就是将基片托架与零电位连接。但是本系统构造了一个双电源的环境。在基片的背面配置了一个负偏压电极板，氩原子等离子体在偶极矩的作用下，自动地将正极选向负偏压极板方向。由于存在高电压的电场力作用，等离子体将获得极大的动能，加速向基片表面高速轰击，轰击基片表面的等离子粒子量级尺度的材料。基片的硬化层面朝向被轰击方向。结果是pet基材的被轰击区域微观上产生了堆垛结构。因为在作用基材前面构造了一个带有狭缝窗口的掩膜板，而基材在轰击过程中，是在系统的控制下匀速的向前移动的。这样就保证了如上的整个的轰击过程是均匀、连续的一次性完成。由此也就保证了基片制作的防眩光粗糙化表面的堆垛结构分布的均匀性和完整性。轰击深度可以通过膜厚仪通过线下来确定，方案目标是1/4个λ波长。以550nm波长光源为基准。方案的目标深度为137.5nm。取137nm
±
15nm；
[0098]
步骤b的制作设备采用磁控真空连续镀膜机；
[0099]
步骤b中真空轰击系统的结构参见中国专利zl 201920939508.6、专利名称为“制备防炫光玻璃的蚀刻系统”，其由平面阳离子蚀刻电极、掩膜板mask、负偏压电极保护板、负偏压电极板、2个直流电源和1个氩气供气系统组成。通入的氩气纯度不得低于99.999％。氩气流量要有质量流量控制器mfc可进行调节。直流电源可提供的直流工作电压不得低于400vdc，通过实验以400
‑
600vdc为宜，具体数值需根据系统大小、轰击距离长短和基材的材料而定。轰击功率可根据轰击区的大小而定，但要保证功率密度不低于150w/cm2。掩膜板在轰击电极的正前方位置开一个长方形的窗口。长度要略长于基片高度，宽度取0.9倍阳极板的宽度，作为提供轰击的通道。
[0100]
步骤c，具体操作如下，c1对完成防眩光膜制作的透明基体做表面加硬处理，在带防眩光膜的第二表面面涂一层硬化剂形成基膜；其具体操做如下，对防眩光膜的第二表面用静电枪做一次表面清理，除去表面附着颗粒，然后在防眩光膜的表面再次涂布一层化学硬化剂，厚度为0.1mm；
[0101]
c2、将涂有硬化剂的基膜做紫外线硬化。
[0102]
在进行步骤a6、b、c1之前，均预留出电极接线区；预留出的电级接线区通过装配组装有金手指结构，具体实施时，金手指部分通过acf胶膜贴合在预留出的电极接线区。
[0103]
虚拟触控屏表面静电感知力，根据检索pet材料介电常数εp＝理论值3.44
‑
3.68(实验值2.9
‑
3.2)，取εp＝3。人体介电常数εs＝肌肉/脂肪(56.0
‑
66.2/11.2
‑
12.7)，取εs＝43。根据实施例，ts＝0.01mm，tp＝0.05，tg＝0.001mm。取极板施加电压v＝100vdc。手指接触面积0.5cm2带入公式。计算出静电力f
electrostatic
，
[0104][0105]
摩擦系数μ＝0.01，计算得到手指在屏板表面滑动摩擦力f
friction
，
[0106]
f
friction
＝
‑
μf
electrostatic
＝
‑
0.01*150＝
‑
1.5n
[0107]
1.5n
‑
6.0n的表面摩擦力足以模仿手指经常接触的实体物体的真实感觉。
[0108]
具体实施例中，usb接口静电电压可以通过一个dc/dc反激变换开关电源实现，由
于ito薄膜组件所对应的虚拟触摸薄膜作为变换后的受压端，作为负载，其属于容性的一极，站在地面通过手指触摸屏板的人体构成容性负载的另一极，于容性负载电流很小，所以开关电源功率优选为5w左右即可达到功能要求，小功率的dc/dc变换模块所对应的dc/dc变换器采用反激变换器方案，后端做升压整流。将高压端贴合于虚拟触摸薄膜的电极接线区。dc/dc变换模块所对应的dc/dc变换器输入端通过usb接口从电子设备的usb接口受电，具体实施时dc/dc变换模块所对应小功率dc/dc变换电路做成柔性电路，贴合在屏板金手指的fpc上，使得整个结构简单可靠。
[0109]
其原理如下，触控电极部分(虚拟触控薄膜)和防眩光膜是在一块透明基体上，其保证了整个触屏的结构紧凑；且整个虚拟触控屏的结构简单，制程操作步骤少，制程过程工艺也容易控制，适合量化生产；其将防眩光的薄膜置ito膜层的相对外表面，即兼顾了防眩光膜结构的特性，又兼具虚拟感知触控屏的偶极作用，其采用的dc
‑
dc变换模块通过usb接口将低压的直流电压变换成相对高压直流电压送到虚拟触控薄膜上，其使得虚拟触控薄膜的输入直流电压通过usb接口接插方式从电子产品的usb接口获得，整个虚拟感知触控屏附加在触摸屏产品的表面附，即可体验虚拟触控操作电子产品，其制作成本低。
[0110]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0111]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。