膠粘劑對光學指紋傳感器摩爾紋的影響

孫建成

上海籮箕技術有限公司 上海 201206

1 膠粘劑的介紹

膠粘劑是粘結兩種不同物體的材料，光學膠粘劑從形態上來分主要分為水膠，OCA（Optically Clear Adhesive）和片膠三種狀態。本文主要介紹一下光學水膠膠粘劑對光學指紋傳感器在溫度變化時產生摩爾紋的影響。隨著電子產品和信息化的迅速發展，越來越多的產品會用到光學指紋傳感器，比如手機，智能門鎖，汽車等等。其中水膠膠粘劑是光學指紋傳感器組裝過程中必不可少的材料之一。光學指紋傳感器存在因溫度或者環境變化而產生摩爾紋問題，因為摩爾的形狀和指紋的形狀非常類似，軟件無法準確區分識別，因此會影響光學指紋傳感器的正常工作，降低其性能。如何解決或者減輕摩爾紋是光學指紋傳感器的重要課題之一。

光學用水膠的從材料來區分，可以分為三類：

（1）有機硅膠體系膠水。

（2）環氧體系膠水。

（3）丙烯酸酯體系膠水。每種體系的膠水具有其自身優點。

有機硅膠不會產生黃變、霧化等不良。無刺激性氣味，表面的浸潤能力比較好，粘度大但流動性好，貼合后擴散快，不需要加熱，收縮率小，熱穩定性極佳，不容易吸收空氣，所以使用過程中不易產氣泡。吸震性較好，做鋼珠測試，產品不易產生破裂。

環氧膠粘劑有多種極性基團和環氧基，它在使用的過程中能夠產生巨大的內聚強度，使物體能夠很好的膠合在一起。環氧膠粘劑主要成分是環氧樹脂，它無毒無公害，能夠起到環保的作用。環氧膠粘劑具有良好的耐腐蝕性和介電性，有著良好的使用效果。環氧膠粘劑的成本較低，而且能夠大批量的生產和制造，價格便宜。

丙烯酸酯膠水高強度、耐沖擊，耐候性佳，可油面粘接，使用方便、抗沖擊及剪切力強，固化速度快。

2 光學指紋傳感器模組的介紹

光學指紋傳感器就像一部微型照相機：當你按壓手指的時候，它就對你的指紋進行拍照。這樣你的指紋就采集好了，然后再傳遞給后端的處理器處理。

當你把手指放上去的時候，采集頭發射出來的光線會被你的手指擋回來。由于指紋上有脊（凸起的部分）有谷（凹下的部分），光線遇到它們后會發生不同的折射和反射，導致返回的光線有明暗之分。反射回來的光線再經過準直器的濾光處理，打在感光元件上，就可以成像。

準直器：通常光線是發散的，即開始相鄰的兩條光線傳播后會相離越來越遠。準直通俗說就是保持光線之間是平行的。就是讓發散的光變成準直的光的器件。

光學指紋傳感器模組主要有兩部分組成，光學指紋傳感器元件和光學準直器。兩者之間使用水膠貼合粘結在一起。因為光學指紋傳感器的分辨率和準直器單元大小接近，所以在光傳輸下來的時候會產生摩爾紋現象。摩爾紋在常溫下可以通過軟件處理消除。但是裝到產品上以后，因為使用環境溫度等條件的變化，光學指紋傳感器和準直器之間會產生微小的相對移動，導致常溫下消除的摩爾紋在高溫或者低溫條件下復現。光學指紋傳感器和準直器空間匹配變化是導致摩爾紋復現的主要原因。

3 水膠對光學指紋模組高低溫摩爾紋的影響

水膠作為粘結兩者之間的材料，其性能對高低溫摩爾紋復現有著極其重要的影響。通過上面對三種不同材料的膠水特性對比，可以知道硅膠體系的膠水具有低收縮率和熱穩定性優良的特點。為了解決溫度變化導致的位移問題，我們選擇有機硅體系膠水作為研究的重點。我們通過篩選對比測試，發現膠水的Tg溫度轉變點，楊氏模量，邵氏硬度對高低溫摩爾紋有著重要的影響。下面分別介紹這三個變量是如何影響高低溫摩爾紋的。

Tg點：玻璃轉化溫度，單位為攝氏度。水膠在Tg點兩側的熱膨脹系數不同。如果Tg點剛好在客戶要求的光學指紋模組使用溫度范圍內（-20攝氏度到60攝氏度），膠水就可能會出現兩種狀態，導致膠水，光學指紋傳感器，準直器無法同步膨脹和收縮，由此產生空間匹配失位，從而產生摩爾紋。因此水膠的Tg點必須高于60攝氏度，或者低于零下20攝氏度。例如一款水膠的Tg點是30攝氏度，低于30攝氏度時的熱膨脹系數是279ppm，高于30攝氏度時的熱膨脹系數是155ppm。當光學指紋傳感器指紋模組在室溫25攝氏度處理掉摩爾紋以后，使用者在高于30度的環境下使用，那么膠水的熱膨脹系數相比處理摩爾紋時變小，三種物體不能同步膨脹收縮，因此會產生空間相對位置發生變化，導致處理掉的摩爾紋復現。

楊氏模量：是表征在彈性限度內物質材料抗拉或抗壓的物理量，它是沿縱向的彈性模量。在物體的彈性限度內，應力與應變成正比，比值被稱為材料的楊氏模量。楊氏模量的大小標志了材料的剛性，楊氏模量越大，越不容易發生形變。因此未來減輕摩爾紋應該選擇高楊氏模量的水膠。通過大量測試數據，楊氏模量需要>0.6GPa以上才能很好的解決光學指紋傳感器模組的高低溫摩爾紋問題。

邵氏硬度：是指用邵氏硬度計測出的值的讀數，它的單位是“度”。其測量原理是在特定的條件下把特定形狀的壓針壓入塑料、橡膠與玻璃等非金屬試樣而形成壓入深度，再把壓入深度轉換為硬度值。邵氏硬度度數越大表示材料越硬，度數越小表示材料越軟。邵氏硬度太大，水膠就無法有上下兩層的器件一起膨脹和收縮，因此并不是邵氏硬度越大對減輕摩爾紋越有利。邵氏硬度太小，在模組受到外力時又容易產生形變，同樣導致光學指紋傳感器和準直器的失位，產生摩爾紋。因此邵氏硬度是有一個最佳范圍的，通過測試得知，當邵氏硬度在50D到70D之間時，光學指紋傳感器模組的高低溫摩爾紋最輕微。

4 結語

隨著5G的發展，智能手機的功能日益強大，智能門鎖的逐漸普及，光學指紋模組的應用和市場前景會越來越廣闊。