挑戰手機最小邊框

　　黃?洲?（艾邁斯半導體，上海?201204）

　　摘?要：如今手機的屏幕越來(lái)越趨向于超大屏占比的無(wú)邊框設計，而想要做到這一點(diǎn)實(shí)屬不易。由于受話(huà)器與攝像模組的性能非常依賴(lài)于尺寸，所以挑戰無(wú)邊框的重任便落到了縮小光感與距感的占用面積之上。本文重點(diǎn)討論了光感與距感模塊設計的基本原理與技術(shù)要點(diǎn)，以及ams（艾邁斯半導體）的超窄邊框光感距感解決方案的優(yōu)勢所在。

　　關(guān)鍵詞：超窄邊框；光感；距感

　　手機外觀(guān)設計的潮流最近已經(jīng)向無(wú)邊框挑戰，目的是更高的顯示屏幕占比。但是手機正面的一些功能，比如受話(huà)器、前攝像頭、光感和距感是必須存在的。減小這些功能模塊的占用面積是手機設計工程師一直不懈努力的方向。由于受話(huà)器和攝像模組的性能非常依賴(lài)于尺寸，不太可能減小這兩個(gè)模組的尺寸。因此，減小光感和距感的占用面積就變得非常關(guān)鍵。

　　1 距感

　　要從2017年20 mm的邊框減小到2019年的0.8mm的邊框，距感必須滿(mǎn)足如下幾個(gè)條件。①非常窄的模組或者器件。②集成紅外激光發(fā)射器，而不是普通的LED，以達到非常小的尺寸和發(fā)射角度。③更嚴謹的光學(xué)設計以及相關(guān)經(jīng)驗。

　　這些要求集合在一起，是不小的一個(gè)挑戰。圖1是超窄邊框劉海設計示意圖。從表面看來(lái)和常規設計沒(méi)有大的差異。但是從側面看，與之前的設計最大的差別是芯片到觸屏玻璃的距離（air gap）變得非常大。這在以往設計是大忌。因為根據光線(xiàn)反射和折射原理，大air gap會(huì )導致更多的發(fā)射光線(xiàn)被觸屏玻璃反射回來(lái)，從而產(chǎn)生非常高的底噪，會(huì )將有效信號淹沒(méi)，使得距感失效。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，針對大air gap，設計師通常要考慮以下幾點(diǎn)。

　　1）底噪的考慮。底噪在這里特指當沒(méi)有任何遮擋物的時(shí)候，傳感器接收到的信號。圖2中示意了由光源發(fā)出的紅外光的主要反射路徑。路徑1和路徑2對底噪的影響最大，路徑3則次之。對于設計師來(lái)說(shuō)，減小底噪就變成通過(guò)對擋墻的設計來(lái)控制3條路徑的光線(xiàn)。當然，用VCSEL激光做光源，能使光束更集中容易控制，從而減小反射。圖2 由光源發(fā)出的紅外光的主要反射路徑

　　2）公差控制。對于大air gap距感，制造中的公差控制是量產(chǎn)性能的關(guān)鍵。公差控制不僅能減小底噪，還可以使得紅外光線(xiàn)由發(fā)射到接收的阻礙最小，接收信號最強。比如1 mm的開(kāi)窗設計，如果公差是±0.25 mm，那么開(kāi)窗就有可能到0.75 mm，這將阻擋一部分光線(xiàn)。針對不同的公差，設計師需要小心考慮擋墻的寬度、高度以及位置。才能將最終產(chǎn)品的性能控制在一個(gè)可接受范圍內。

　　3）關(guān)鍵點(diǎn)的設置。關(guān)鍵點(diǎn)是指：經(jīng)過(guò)觸屏玻璃玻璃折射后，發(fā)射視角和接收視角邊緣的接收點(diǎn)。如下圖3中藍色光線(xiàn)及其相交點(diǎn)所示。關(guān)鍵點(diǎn)是由器件本身的視角、擋墻的位置一起決定的。關(guān)鍵點(diǎn)的選擇主要是平衡底噪和盲區。關(guān)鍵點(diǎn)太低，則有過(guò)多的光線(xiàn)被觸屏玻璃的上表面反射到接收，造成底噪偏高；關(guān)鍵點(diǎn)太高，則盲區太大，使得靠近觸屏玻璃的物體反射的光線(xiàn)變少。當被測物的反射系數很小的時(shí)候（比如黑頭發(fā)），就有可能反射能量不足，導致傳感器“看不見(jiàn)”被測物。

　　2 光感設計

　　光感是指環(huán)境光傳感器，可以讓手機知道此時(shí)環(huán)境光亮度，從而調節屏幕亮度。環(huán)境光傳感器因為沒(méi)有發(fā)射，只有接收，因此相對比較簡(jiǎn)單。

　　由于air gap過(guò)大，同時(shí)開(kāi)窗太小，會(huì )嚴重影響傳感器的視角，如圖3紅色角度所示。而視角太小，測得的亮度就會(huì )不準確，因為傳感器看不到視角以外的光源。為了擴大視角，我們通常會(huì )想辦法將光線(xiàn)擴散開(kāi)來(lái)，讓斜射到開(kāi)窗的光線(xiàn)也能有一部分進(jìn)入到傳感器如圖3黃色線(xiàn)條所示。一般有2種材質(zhì)可以擴散光線(xiàn)：一種是白色油墨，油墨顆粒將光線(xiàn)無(wú)序的反射，部分斜射光線(xiàn)就能進(jìn)入傳感器；另一種是擴散膜，原理類(lèi)似（如圖4）。

　　擴散膜的效果比白油墨好很多，但是價(jià)格高一些，且不方便組裝。擴散光線(xiàn)會(huì )帶來(lái)一個(gè)不利影響——降低透過(guò)率，因為部分光線(xiàn)被反射，或者散射到其他地方。透過(guò)率越低意味著(zhù)到達傳感器的光線(xiàn)就越少，測試精度就越差，對器件的靈敏度要求就更高。因此我們需要在透過(guò)率和擴散能力之間選擇一個(gè)平衡點(diǎn)。通常來(lái)說(shuō)，建議最低的總透過(guò)率不低于1%。這里包括觸屏玻璃、油墨等光線(xiàn)經(jīng)過(guò)的組件的透過(guò)率之積。

　　當然，選擇更高靈敏度的傳感器可以給光學(xué)設計帶來(lái)更多冗余。

　　3 結論

　　ams針對超窄邊框的方案，是基于合適的模組設計、光學(xué)設計的經(jīng)驗和一系列測試數據而得到的，旨在幫助客戶(hù)加快設計周期，并且提高良率。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　黃洲，傳感器資深應用工程師。在過(guò)去14年間，他在個(gè)人消費電子領(lǐng)域從事系統設計、芯片開(kāi)發(fā)和應用工作。其手機設計經(jīng)驗橫跨最早的功能手機和目前普及的智能手機，對手機系統級應用和設計有深入的了解和豐富的經(jīng)驗。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第25頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。