挑戰(zhàn)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越趨向于超大屏占比的無邊框設(shè)計，而想要做到這一點實屬不易。由于受話器與攝像模組的性能非常依賴于尺寸，所以挑戰(zhàn)無邊框的重任便落到了縮小光感與距感的占用面積之上。本文重點討論了光感與距感模塊設(shè)計的基本原理與技術(shù)要點，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

　　手機外觀設(shè)計的潮流最近已經(jīng)向無邊框挑戰(zhàn)，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(shè)計工程師一直不懈努力的方向。由于受話器和攝像模組的性能非常依賴于尺寸，不太可能減小這兩個模組的尺寸。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，距感必須滿足如下幾個條件。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?shù)墓鈱W設(shè)計以及相關(guān)經(jīng)驗。

　　這些要求集合在一起，是不小的一個挑戰(zhàn)。圖1是超窄邊框劉海設(shè)計示意圖。從表面看來和常規(guī)設(shè)計沒有大的差異。但是從側(cè)面看，與之前的設(shè)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(shè)計是大忌。因為根據(jù)光線反射和折射原理，大air gap會導致更多的發(fā)射光線被觸屏玻璃反射回來，從而產(chǎn)生非常高的底噪，會將有效信號淹沒，使得距感失效。

　　為了解決這個問題，針對大air gap，設(shè)計師通常要考慮以下幾點。

　　1）底噪的考慮。底噪在這里特指當沒有任何遮擋物的時候，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(shè)計師來說，減小底噪就變成通過對擋墻的設(shè)計來控制3條路徑的光線。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由發(fā)射到接收的阻礙最小，接收信號最強。比如1 mm的開窗設(shè)計，如果公差是±0.25 mm，那么開窗就有可能到0.75 mm，這將阻擋一部分光線。針對不同的公差，設(shè)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可接受范圍內(nèi)。

　　3）關(guān)鍵點的設(shè)置。關(guān)鍵點是指：經(jīng)過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。如下圖3中藍色光線及其相交點所示。關(guān)鍵點是由器件本身的視角、擋墻的位置一起決定的。關(guān)鍵點的選擇主要是平衡底噪和盲區(qū)。關(guān)鍵點太低，則有過多的光線被觸屏玻璃的上表面反射到接收，造成底噪偏高；關(guān)鍵點太高，則盲區(qū)太大，使得靠近觸屏玻璃的物體反射的光線變少。當被測物的反射系數(shù)很小的時候（比如黑頭發(fā)），就有可能反射能量不足，導致傳感器“看不見”被測物。

　　2 光感設(shè)計

　　光感是指環(huán)境光傳感器，可以讓手機知道此時環(huán)境光亮度，從而調(diào)節(jié)屏幕亮度。環(huán)境光傳感器因為沒有發(fā)射，只有接收，因此相對比較簡單。

　　由于air gap過大，同時開窗太小，會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，我們通常會想辦法將光線擴散開來，讓斜射到開窗的光線也能有一部分進入到傳感器如圖3黃色線條所示。一般有2種材質(zhì)可以擴散光線：一種是白色油墨，油墨顆粒將光線無序的反射，部分斜射光線就能進入傳感器；另一種是擴散膜，原理類似（如圖4）。

　　擴散膜的效果比白油墨好很多，但是價格高一些，且不方便組裝。擴散光線會帶來一個不利影響——降低透過率，因為部分光線被反射，或者散射到其他地方。透過率越低意味著到達傳感器的光線就越少，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率和擴散能力之間選擇一個平衡點。通常來說，建議最低的總透過率不低于1%。這里包括觸屏玻璃、油墨等光線經(jīng)過的組件的透過率之積。

　　當然，選擇更高靈敏度的傳感器可以給光學設(shè)計帶來更多冗余。

　　3 結(jié)論

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

　　作者簡介：

　　黃洲，傳感器資深應用工程師。在過去14年間，他在個人消費電子領(lǐng)域從事系統(tǒng)設(shè)計、芯片開發(fā)和應用工作。其手機設(shè)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(tǒng)級應用和設(shè)計有深入的了解和豐富的經(jīng)驗。

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