摘要：本文介绍了方块电阻的定义、测量及其计算方法，通过分析电阻式触摸屏回路电阻的构成，给出了其经验计算公式，简述影响回路电阻的主要因素及其原因，为触摸屏设计阻值计算和制程控制提供参考。

关键词：触摸屏   ITO电阻   方块电阻   银线电极

0   引言

在电阻式触摸屏(以下简称TP)的电子特性中，有一个重要的参数——回路电阻。回路电阻的稳定性，影响产品性能的好坏，同时，对制程控制也起着至关重要的作用，直接影响产品品质。一般情况下，四线TP（模拟屏）的回路电阻指的是TP引出线端测得的上线路或下线路的电阻值；而多线式TP（数位屏）的回路电阻指的是TP引出线端测得的TP某一按键的回路电阻值。

1   触摸屏工作原理

    电阻触摸屏是采用电阻模拟量技术。它以一层玻璃作为基层，上面涂有一层透明氧化金属(ITO氧化铟)导电层，再盖有一层玻璃或是外表面硬化处理的光滑的塑料层；内表面也涂有一层ITO导电层。它们之间有许多细小的的透明隔离点把两导电层隔开绝缘，每当有笔或是手指按下时，两导电层就相互接触。而形成回路，如图1所示。

                                                 图1 触摸屏的触摸示意图

四线电阻式触摸屏导电层的两端都涂有一条银胶，称为该工作面的一对电极。电极选用导电性能极好的材料（如银粉墨）构成，其导电性能大约是ITO的1000倍^{[ 1 ]}。上下两个导电层一个是水平方向，一个是竖直方向，分别用来测量X和Y的坐标位置。在水平面上的电极称为X＋电极和X－电极，在竖直平面的电极称为Y＋电极和Y－电极，如图2所示。工作时，两个电极根据测量需要提供参考电压或是作为测量端对接触点的位置进行测量。当测量接触点X坐标的时候，导电层上的X＋电极和X－电极分别接上参考电压和地；Y电极不加电压，那么X电极间会形成均匀的电压分布，用Y＋电极作为测量点，得到的电压值通过A/D转换，就可对应地判断出接触点的X坐标。Y坐标亦是类似，只需改成对Y电极加电压而X电极不加电压即可。

                                             图2 电压测量示意图

    X坐标和Y坐标的计算公式为：X=(V_CC/V_REF)·(R₂/(R₁+R₂))·4096

Y=(V_CC/V_REF)·(R₄/(R₃+R₄))·4096

其中V_REF为加在A/D转换器上的参考电压，可以接V_CC作为参考电压。

图3是触摸屏控制器TSC2046的典型应用电路图。

图3 触摸屏控制器TSC2046的典型应用电路图。

2   方块电阻的定义、测量及计算方法

2.0 方块电阻的定义

掺锡氧化铟（即Indium Tin Oxide, ITO）薄膜是一种体心立方铁锰矿结构（即立方In₂O₃结构）的宽禁带透明导电材料。它具有优异的光电性能：对可见光透过率可达85%以上，低电阻率（10^-3 Ω·cm~10^-4 Ω·cm），较宽的能隙（Eg=3.6 eV ~ 3.9 eV），红外反射率大于80%，紫外吸收率大于85%，同时还具有高硬度、耐磨、耐化学腐蚀特性以及容易蚀刻成一定形状的电极图形等诸多优点，这使得ITO薄膜被广泛应用于液晶显示器、电致发光显示器、电致变色显示器、场致发光平板显示器件、太阳能电池和高层建筑物玻璃窗。此外，ITO薄膜对微波还具有强烈的衰减作用（衰减率 ~ 85%），这使其在防电磁干扰的透明屏蔽层的设计和应用上具有很大的潜力^{[ 2 ]}。

一定厚度下，单位面积上的电阻值称为方阻。图4 是电流平行经过ITO 膜层的情形,其中, d 为膜厚, I 为电流, L 1 为在电流方向上的膜层长度, L 2 为在垂直于电流方向上的膜层长度^{[ 3 ]}。

图4 　方块电阻示意图 

当电流流过如图所示的方形导电膜层时,该层的电阻为

R = ρL ₁/dL ₂

式中,ρ为导电膜的电阻率。对于给定的膜层,ρ和d 可以看成是定值。当L ₁ = L ₂ 时,即为正方形的膜层,无论方块的大小如何,其电阻值均为定值ρ/d 。这就是方块电阻的定义,即

R_□ = ρ/d

式中, R_□ 的单位为:欧姆/□(Ω/□) 。由此可以看出方块电阻与ITO 膜层的电阻率ρ和ITO 膜厚d 有关^{[ 3 ]} 。

2.1 方块电阻的测量

    方块电阻的测量，目前主要使用四探针法进行测量。四探针测试技术方法分为直线四探针法和方形四探针法。方形四探针法又分为竖直四探针法和斜置四探针法。方形四探针法具有测量较小微区的优点，可以测试样品的不均匀性，微区及微样品薄层电阻的测量多采用此方法。四探针法按发明人又分为Perloff法、Rymaszewski法、范德堡法、改进的范德堡法等。值得提出的是每种方法都对被测样品的厚度和大小有一定的要求，当不满足条件时，必须考虑边缘效应和厚度效应的修正问题^[4]。

2.1.0 常规直线四探针法^[4]

     将位于同一直线上的4个探针置于一平坦的样品（其尺寸相对于四探针，可被视为无穷大）上，并施加直流电流I于外侧的两个探针上，然后在中间两个探针上用高精度数字电压表测量电压V_2,3，则检测位置的电阻率ρΩ•cm）为：

ρ=C V_2,3/I 

    其中，C为四探针的探针系数（cm），它的大小取决于四根探针的排列方法和针距。

    由于半导体材料的电阻率都具有显著的温度系数C_T，所以测量电阻率时必须知道样片的温度，如果认为有电阻加热效应时，可观察施加电流后检测电阻率是否会随时间改变而判定。通常四探针电阻率测量的参考温度为23±0.5℃，如检测时的室温异于此参考温度的话，可以利用下式修正

ρ₂₃=ρ_T-C_T(T-23)

    其中ρ_T为温度T 时所检测到的电阻率值。

2.1.2  范德堡法^{[5 ]}

用van der Pauw 方法测量ITO 薄膜的电学性质,其方法是在厚度为d 的薄膜上一正方形区域¹₂□₄³的4 个顶点1 ,2 ,3 ,4 上用铟粒点接触4 根铜探针,测量方块电阻Rs 时,给接触点1 和4间通一电流I₁₄ ,在2 和3 点间测量压降U₂₃ ,可求R_{23 ,14} =U₂₃/I₁₄, 相应地获得R_{34 ,12} =U₃₄/I₁₂, 由R_{23 ,14} 及R_{34 ,12} 可以计算薄膜的方块电阻为

Rs =（π/ln 2）(（R_{23 ,14} + R_{34 ,12}）/2) f (Q)        (1)

其中f (Q) 为与Q =R_{23 ,14}/R_{34 ,12}有关的修正因子, 且由文献[6 ]有

　　　f (Q) = 1 – 0. 34657（（ Q – 1）（Q + 1））² – 0. 09236（（ Q – 1）（Q + 1））⁴, 则薄膜的电阻率为

ρ= Rs d                (2)

用van der Pauw 方法测量薄膜的迁移率μ是基于霍尔效应原理,迁移率的计算公式是

μ=U_H/Rs IB            (3)

其中U_H 为霍尔电压, I 为测量电流, B 为垂直膜面的磁场强度. 根据载流子浓度、迁移率和电阻率之间的关系,可以计算出薄膜的载流子浓度为

Ne =1/ρeμ            (4)

测量电学性质过程中产生的附加热电热磁效应可以通过改变电流和磁场的方向来消除。

3   触摸屏回路阻值的计算

3.0  回路电阻的构成

电阻式触摸屏（以下简称TP）回路电阻由ITO电阻、银线电阻、接触电阻这几部分组成。其中，接触电阻主要由以下几部分组成，银线电极与ITO的接触电阻，FPC与TP连接的接触电阻。TP回路电阻R_L，可用如下经验公式计算：

R_L=R_ITO+R_S+R_J     (5)

其中，R_ITO——ITO工作面电阻，R_S——银线总电阻，R_J——接触电阻

一般情况下，R_J＜＜R_ITO ，R_S＜＜R_ITO

3.1  ITO阻值的计算

若已知ITO层的方块电阻，则当电流流过ITO电极时，只要知道电流方向，电极可看成是由若干个正方形的方块电极所组成。电极的总电阻就等于方阻乘上方块个数^[7]。根据该理论，以图6所示版图走线为例，具体介绍一下ITO阻值的计算。对于给定的ITO膜层，因为ρ，d为定值，所以R_□也为定值，因此只要求出方块的个数即可。

图5的走线可以分割成3部分，各段尺寸和电流如图所示。分别对各段求电阻，最后求和即是该走线的总电阻。

第一部分，R₁= R_□H₁L₁/H₁H₁= R_□L₁/H₁ （其中L₁/H₁即为方块个数）

第二部分，R₂= R_□H₂L₂/H₂H₂= R_□L₂/H₂

第三部分，R₃= R_□H₂L₃/H₂H₂= R_□L₃/H₂                                 

该走线总电阻，                                                 图5

R_AB= R₁+ R₂+ R₃= R_□L₁/H₁+ R_□L₂/H₂+ R_□L₃/H₂= R_□（L₁/H₁+ L₂/H₂+ L₃/H₂）

3.2  TP回路电阻值的计算

     我们以四线电阻式触摸屏的上线路的回路阻值计算为例说明，图6，电流方向如图，虚线为银浆走线，一般取两条银线电极的中心距为工作区电流流过的距离。

依上面经验公式，R_ITO□=400±100Ω/□ ,  银浆方块电阻R_PS□=0.07Ω/□，则

银浆线总电阻R_S = 0.07 ×（45.90/0.70 + 28.00/0.60 + 2.30/2.00 + 45.30/0.70 + 3.70/0.40 + 2.50/2.00）= 13.19Ω

工作区域ITO电阻R_ITO = （400±100）×35.70/44.51 = 240.62Ω ~ 401.03Ω

不考虑接触电阻的影响，则，TP回路电阻

R_L = R_ITO + R_S = 253.81Ω ~ 414.22Ω ，故，该上线路的回路阻值为254Ω ~ 414Ω。

                                                 图6

4   影响回路阻值的主要因素

TP的回路电阻主要由三部分组成，ITO电阻、银线电阻、接触电阻。ITO工作面电阻与材料本身的特性有关，同时，制造工艺影响ITO电阻的变化；银线电阻与银浆的特性有关，同时，制造工艺影响银线阻值的变化；接触电阻则同时受ITO材料、银浆特性影响，即ITO材料与银浆的匹配性。

4.0  ITO材料的影响

    要获得回路阻值稳定的TP，必须选用ITO阻值稳定，均匀性优的ITO材料。由于ITO材料厂商选用的基材、ITO靶材以及溅射工艺的不同，其ITO材料方阻的稳定性、均匀性差别也比较大。特别是PET基材的ITO材料。

4.1  制造工艺的影响

     在TP的制造过程中，由于涉及到热处理、热加工的工艺，如PET基材ITO材料的预缩水、银浆的固化、绝缘层的UV固化等，ITO的方阻在这些加工过程中会有一定的变化。另外，在化学蚀刻过程中，酸碱对ITO方阻也产生一定的影响，必须保证印刷的抗蚀刻油墨的遮盖性和均匀性，以及酸碱的浓度。因此，在设计阶段，计算TP的回路电阻必须考虑这些因素的影响。

4.2  ITO材料与银浆的匹配性

     由于每种银浆的配方、ITO材料的特性以及TP制造工艺的不同，就存在ITO材料与银浆的匹配性的问题。匹配性的问题在TP成品的初期阶段区别不大，但在TP的使用过程中或可靠性测试时就表现得特别明显。因此，每种主材料的量产导入，必须要花大量的人力、物力做可靠性方面的验证工作，以保证产品品质。

5   结束语

    综上，在TP的设计阶段，必须综合考虑相关因素的影响，按客户的要求并参考加工工艺实际，选用合适的材料，优化版图设计，合理计算TP的回路电阻，以指导生产制造。

参考文献

1. 陈世利，孙墨杰等，触摸屏的工作原理及典型应用［J］  单片机与嵌入式系统应用，2002：02

2. 蔡琪，曹春斌等，ITO薄膜的微结构表征及其组分特性［J］，真空科学与技术学报，2007：27-3

3. 陆晓莉，杨玉兰等，ITO阻值的精确计算及影响因素［J］， 液晶与显示，2002：17-3

4. 刘新福，孙以材，刘东升，四探针技术测量薄层电阻的原理及应用［J］，半导体技术，2004：07

5. 李雪蓉，赖发春等，测量条件对掺锡氧化铟薄膜电学测量结果的影响［J］，物理实验，2007：4-27

6. 杨际青，爱因斯坦光电方程与光电效应实验外推法[J ]， 大学物理，2003 ，22 (3)：27～29

7. 范志新，液晶器件工艺基础［M］，北京邮电大学出版社，2001：272

收稿日期：2009/3/10