基于ITO的柔性全透明触屏显示系统

王镜尧

摘 要：面对传统传感器在许多领域受限的情况，具有柔性，透明，便于量产等优势的传感器亟待被发掘。本实验测定了氧化铟锡（即ITO）薄膜的基础性能，定性的研究了ITO薄膜的基础属性，通过ITO薄膜的单面导电性，设计出对压力有高灵敏度的电极，制造了一种高柔性，透明，轻便，低成本，可以量产的传感器，并通过将外电路短接的方式，体现了ITO作为传感器将力电信号转化的功能。

关键词：ITO;传感器;反应系统

中图分类号：TN151 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）09-0028-02

0 引言

在大数据时代即将到来的今天，数据获取的技术愈加被重视。但是传统传感器大多有着低灵活性，高重量，光学性能差等弊端。新式传感器的研发已迫在眉睫。

ITO全称Indium tin oxide，即铟锡氧化物。氧化铟锡材料具有较低的电阻率，是极有潜力的电学材料。其的灵活应用在传感领域有着深远意义。触屏正成为电器控制的主流，而在当今的触屏市场上ITO触屏占据着重要地位，这归根结底是来源于ITO良好的性能。ITO具有着极强的柔性。柔性材料的传感在机器人科技[1]和可穿戴电子技术[2]中都是重要的课题。传统传感器的低灵活性在许多方面上限制了现代科技的发展，因而柔性传感的研究将成为打开新世界的大门。在柔性材料中，ITO又同时拥有高透光性和低生产成本的特点。随着触屏控制化成为电器控制的趋势，ITO受到越来越多的关注。同时，ITO的质轻和透明也将其引向可穿戴电子技术的核心。

传感器的根本原理是将力电信号的转化，主要方式基本是压阻式、压电式、电容式、摩擦方式等。主流传感器主要有：（1）压阻式：由于部分材料在受力时内部粒子距离发生变化导致导电性能的变化，即电阻率变化，传统的压阻式传感器有着工艺简单，低成本的优势。（2）压电式：因材料体积的变化，导体内部发生极化，将外界能量转化为电能，进而体现受力情况。压电系数与能量转化效率正相关，因而可以实现高灵敏度，高精确度。（3）电容式：受力时，平行电容板间距离变化，电容发生变化。将力信号转化为电容性能的变化，来实现信号的转化过程。可以达到高灵敏度，低耗能的效果。（4）摩擦式：这种方式的根本理论背景是摩擦电效应。内部材料发生摩擦，保存着电荷。受力会使材料发生位置变化，把电荷转化为电流/电压信号。医学领域中，可以用于肌肉的监测[3]。

ITO薄膜传感器的研发根本依靠的是ITO薄膜的单面导电性，因此可以将力学信号转为电信号。当两层ITO薄膜接触时，等效体导电性能急剧变化，因而实现快速反应。同时，ITO的轻质与高柔性使其有着高灵敏度[5]的特点。

1 实验

（1）实验用品：ITO薄膜，PET，万能表，绝缘支撑物，1MΩ电阻。

（2）对ITO电极的测试：对于单位面积的单层ITO薄膜进行了光学测试和电阻测试，并在弯曲情况下对其进行光学测试和电阻测试。

（3）触屏系统的制作：应用ITO电极的的单面导电性[4]，将两层导电面相向的ITO薄膜通过弹性绝缘支撑物制成电极，达到控制电路电阻率的效果。

2 结果与讨论

2.1 ITO薄膜的透光率

如图1（a），ITO薄膜的透光率很高，接近透明[4]。而图1（b）展示了ITO薄膜良好的柔性，在实际测量中可以弯折近180度，此时，ITO膜本身的透光性几乎没有发生变化，如图1（c）。同时，其电阻率变化小，如图1（d）是1cm2的ITO膜在被弯曲时的阻值随弯曲角度的图像。

2.2 ITO电极原理

将两层ITO薄膜分别固定在两层PET膜上，使它们的导电面向外，用支撑物将其连接，使导电面相对，如图2（a）两层ITO间的距离极小与ITO本身的柔性使之在受压力时上下ITO导电面相互接触，达到接通电极效果。自然状况下，两层ITO分开，达到断开电极效果。图2（b）中是ITO电极模型，是本次实验测试所用的6×6cm2模型，远大于实际的ITO电极，但具有等效的意义。

2.3 应用ITO电极达到触屏控制效果

引入一个固定电压，在每对ITO电极与电源正极间接入一个1MΩ电阻和一个外电路，该电路会在感受不到电压时输出电信号。将电极另一端接地，因而在电极接通时便输出电信号。如图3所示电路原理图。

2.4 实验验证效果

将电路接入CPU，启动预设逻辑如圖4（a）的程序，进行感受器实验。在触摸电极任意区域时，对应程序运行，得到如图4（b）的实验结果。

3 结语

本实验定性的研究了ITO薄膜的基础属性，通过ITO薄膜的单面导电性，设计出对压力有高灵敏度的电极，制造了一种高柔性，透明，轻便，可以量产的传感器。

实验过程中，应注意维护ITO薄膜导电面的完好，如破坏了导电面的基础结构，可能会引起电极的失效。支撑物的选择直接决定了传感器的灵敏程度和传感的使用寿命，应该在保持弹性和绝缘的情况下尽量切削较薄，但应同时保证在不受压时两薄膜应自然处在分离状态，这是传感器功能保持的前提。基底的选择极为重要，既要保证不损害ITO的既有性质，又要尽量体现保护功能，进而提升传感器的使用寿命，保护ITO的基础结构。在进行验证实验时，要注意电路的设计，加入保护电阻是因为ITO的导电性能极好，在面积极小时电阻也极小，在闭合时会产生极大电流。

参考文献

[1] 蔡自兴，贺汉根，陈虹.未知环境中移动机器人导航控制研究的若干问题[J].控制与决策，2002，17（4）：385-390，464.

[2] 滕晓菲，张元亭.移动医疗：穿戴式医疗仪器的发展趋势[J].中国医疗器械杂志，2006，30（5）：330-340.

[3] 叶强.柔性力敏传感在人体运动信息获取和反馈训练中的应用研究[D].2017.

[4] 马勇，孔春阳.ITO薄膜的光学和电学性质及其应用[J].重庆大学学报（自然科学版），2002， 25（8）：114-117.

[5] Sungwoo C， Yong C I， Wonkyeong S， et al. A Highly Sensitive Force Sensor with Fast Response Based on Interlocked Arrays of Indium Tin Oxide Nanosprings toward Human Tactile Perception[J]. Advanced Functional Materials，2018：1804132.