挑战手机最小边框

　　黄 洲 （艾迈斯半导体，上海 201204）

　　摘 要：如今手机的屏幕越来越趋向于超大屏占比的无边框设计，而想要做到这一点实属不易。由于受话器与摄像模组的性能非常依赖于尺寸，所以挑战无边框的重任便落到了缩小光感与距感的占用面积之上。本文重点讨论了光感与距感模块设计的基本原理与技术要点，以及ams（艾迈斯半导体）的超窄边框光感距感解决方案的优势所在。

　　关键词：超窄边框；光感；距感

　　手机外观设计的潮流最近已经向无边框挑战，目的是更高的显示屏幕占比。但是手机正面的一些功能，比如受话器、前摄像头、光感和距感是必须存在的。减小这些功能模块的占用面积是手机设计工程师一直不懈努力的方向。由于受话器和摄像模组的性能非常依赖于尺寸，不太可能减小这两个模组的尺寸。因此，减小光感和距感的占用面积就变得非常关键。

　　1 距感

　　要从2017年20 mm的边框减小到2019年的0.8mm的边框，距感必须满足如下几个条件。①非常窄的模组或者器件。②集成红外激光发射器，而不是普通的LED，以达到非常小的尺寸和发射角度。③更严谨的光学设计以及相关经验。

　　这些要求集合在一起，是不小的一个挑战。图1是超窄边框刘海设计示意图。从表面看来和常规设计没有大的差异。但是从侧面看，与之前的设计最大的差别是芯片到触屏玻璃的距离（air gap）变得非常大。这在以往设计是大忌。因为根据光线反射和折射原理，大air gap会导致更多的发射光线被触屏玻璃反射回来，从而产生非常高的底噪，会将有效信号淹没，使得距感失效。

　　为了解决这个问题，针对大air gap，设计师通常要考虑以下几点。

　　1）底噪的考虑。底噪在这里特指当没有任何遮挡物的时候，传感器接收到的信号。图2中示意了由光源发出的红外光的主要反射路径。路径1和路径2对底噪的影响最大，路径3则次之。对于设计师来说，减小底噪就变成通过对挡墙的设计来控制3条路径的光线。当然，用VCSEL激光做光源，能使光束更集中容易控制，从而减小反射。图2 由光源发出的红外光的主要反射路径

　　2）公差控制。对于大air gap距感，制造中的公差控制是量产性能的关键。公差控制不仅能减小底噪，还可以使得红外光线由发射到接收的阻碍最小，接收信号最强。比如1 mm的开窗设计，如果公差是±0.25 mm，那么开窗就有可能到0.75 mm，这将阻挡一部分光线。针对不同的公差，设计师需要小心考虑挡墙的宽度、高度以及位置。才能将最终产品的性能控制在一个可接受范围内。

　　3）关键点的设置。关键点是指：经过触屏玻璃玻璃折射后，发射视角和接收视角边缘的接收点。如下图3中蓝色光线及其相交点所示。关键点是由器件本身的视角、挡墙的位置一起决定的。关键点的选择主要是平衡底噪和盲区。关键点太低，则有过多的光线被触屏玻璃的上表面反射到接收，造成底噪偏高；关键点太高，则盲区太大，使得靠近触屏玻璃的物体反射的光线变少。当被测物的反射系数很小的时候（比如黑头发），就有可能反射能量不足，导致传感器“看不见”被测物。

　　2 光感设计

　　光感是指环境光传感器，可以让手机知道此时环境光亮度，从而调节屏幕亮度。环境光传感器因为没有发射，只有接收，因此相对比较简单。

　　由于air gap过大，同时开窗太小，会严重影响传感器的视角，如图3红色角度所示。而视角太小，测得的亮度就会不准确，因为传感器看不到视角以外的光源。为了扩大视角，我们通常会想办法将光线扩散开来，让斜射到开窗的光线也能有一部分进入到传感器如图3黄色线条所示。一般有2种材质可以扩散光线：一种是白色油墨，油墨颗粒将光线无序的反射，部分斜射光线就能进入传感器；另一种是扩散膜，原理类似（如图4）。

　　扩散膜的效果比白油墨好很多，但是价格高一些，且不方便组装。扩散光线会带来一个不利影响——降低透过率，因为部分光线被反射，或者散射到其他地方。透过率越低意味着到达传感器的光线就越少，测试精度就越差，对器件的灵敏度要求就更高。因此我们需要在透过率和扩散能力之间选择一个平衡点。通常来说，建议最低的总透过率不低于1%。这里包括触屏玻璃、油墨等光线经过的组件的透过率之积。

　　当然，选择更高灵敏度的传感器可以给光学设计带来更多冗余。

　　3 结论

　　ams针对超窄边框的方案，是基于合适的模组设计、光学设计的经验和一系列测试数据而得到的，旨在帮助客户加快设计周期，并且提高良率。

　　作者简介：

　　黄洲，传感器资深应用工程师。在过去14年间，他在个人消费电子领域从事系统设计、芯片开发和应用工作。其手机设计经验横跨最早的功能手机和目前普及的智能手机，对手机系统级应用和设计有深入的了解和丰富的经验。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第25页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。