Имитационный анализ емкостного сенсорного экрана

Технология сенсорного экрана используется в мобильных телефонах, устройствах для чтения электронных книг, компьютерах и даже в бытовых электронных продуктах, таких как часы. Некоторые формы емкостного считывания используются в большом количестве сенсорных экранов. Давайте рассмотрим, как использовать модуль AC / DC в COMSOL Multiphysics для анализа емкостных датчиков этого типа.

Введение в емкостное зондирование

Для емкостных датчиков, таких как те, которые используются в устройствах с сенсорным экраном, они содержат большое количество проводящих электродов, встроенных в прозрачные диэлектрические материалы (такие как стекло или даже сапфировые экраны). Сами электроды очень тонкие, сделаны из почти полностью прозрачного материала и невидимы невооруженным глазом.

Давайте начнем с' s очень простой конструкции, которая включает в себя две решетки электродов, пересекающихся под углом 90 °, как показано на рисунке ниже.

Обратите внимание, что настоящий сенсорный экран сложнее того, что мы видели здесь, но навыки моделирования в основном те же.

Упрощенная принципиальная схема основных компонентов в емкостном сенсорном сенсорном экране (не в масштабе)

Когда между любыми двумя или более электродами подается разность напряжений, создается электростатическое поле. Хотя электростатическое поле наиболее сильное между электродами и областью, окружающей электроды, оно все же распространяется на определенное расстояние наружу. Когда проводящий объект (например, палец) приближается к этой области, электрическое поле изменится, так что изменение суммарной емкости между двумя активными электродами может быть обнаружено. Именно благодаря разнице в емкостях мы ощущаем положение пальца, касающегося экрана.

Когда между некоторыми электродами применяется разность потенциалов, другие электроды могут быть электрически изолированы по отдельности или электрически соединены в целом, но все же в электрически изолированном состоянии. Следовательно, они могут иметь постоянный, но неизвестный потенциал.

Правильное моделирование этих электродов, окружающих металлических оболочек и других диэлектрических объектов является ключом к расчету изменений емкости. Давайте' s посмотрим, как использовать функцию модуля AC / DC для достижения этой цели.

Смоделируйте емкостный датчик в часах

Для такого относительно небольшого устройства мы можем смоделировать всю конструкцию; размер сенсора всего 20 * 30 мм, а расстояние между двумя электродами 1 мм. Для сенсорных экранов большего размера разумнее рассматривать только небольшую площадь всего экрана.

Емкостной датчик встроен в стеклянный циферблат (прозрачный). Ремешок и футляр предназначены только для наглядности.

Как показано на рисунке ниже, область моделирования представляет собой цилиндрическую область. В этой области находятся стеклянный экран, пальцы и воздух вокруг часов. У нас есть основания полагать, что влияние размера окружающего воздуха будет быстро уменьшаться с увеличением размера.

Используемые граничные условия

Здесь граница воздушной области задается как условие нулевого заряда, чтобы моделировать границу как свободное пространство. Кроме того, два параллельных электрода устанавливаются как граничные условия земли, а поле напряжения фиксируется на нуле. Два вертикальных электрода устанавливаются в качестве конечных граничных условий, а напряжение имеет постоянное значение. Граничные условия клеммы автоматически вычисляют емкость. Все остальные границы моделируются с помощью граничных условий с плавающим потенциалом.

Визуализируйте модель конечных элементов. Палец (серый), электрический экран (оранжевый) и все невозбужденные электроды (красный и зеленый) моделируются граничным условием плавающего потенциала. На два электрода (белый и черный) подается разность потенциалов. Часть циферблата (голубая) скрыта. Для всех остальных поверхностей используются граничные условия электроизоляции (синие). Воздух и циферблат объединены в объемную сетку. Для наглядности показана только часть поверхности сетки.

Граничное условие с плавающим потенциалом используется для представления набора поверхностей, на которых заряд может свободно перераспределяться. Цель настройки - моделировать границу объекта с постоянным, но неизвестным потенциалом. Это результат приложения внешнего электростатического поля.

Этот тип граничного условия с плавающим потенциалом используется на нескольких наборах поверхностей, таких как нижняя поверхность часов, которая представляет собой электрическое экранирование под стеклянным корпусом. Электроды, которые в данный момент не возбуждены, являются частью единого граничного условия с плавающим потенциалом (при условии, что все электроды электрически соединены вместе). Обратите внимание, что можно использовать опцию группы с плавающим потенциалом, чтобы позволить каждой физически независимой границе плавать до разного постоянного напряжения. Также возможно объединить электроды любой комбинации в одну группу, чтобы электрически соединить их вместе.

Граница пальца (если она включена в модель) также использует граничное условие плавающего потенциала. Предполагается, что человеческое тело является относительно хорошим проводником по отношению к воздуху и слоям диэлектрика.

Используемые материалы

Здесь используются только два разных материала. В большинстве областей используются предварительно заданные воздушные материалы, а диэлектрическая проницаемость установлена ​​на 1. В экране используется предварительно заданный материал из кварцевого стекла, чтобы обеспечить более высокую диэлектрическую проницаемость.

Хотя сам экран представляет собой многослойную структуру, состоящую из разных материалов, можно предположить, что все слои имеют одинаковые свойства материала. Следовательно, нет необходимости явно моделировать каждую границу между ними; все слои рассматриваются как единый домен.

Визуализируйте цвет логарифма значения электрического поля. Поскольку палец рассматривается как плавающий потенциал, его внутреннее электрическое поле можно игнорировать.

Точное решение, полученное с использованием адаптивного уточнения сетки

Для получения точных результатов необходимо иметь достаточно точную сетку конечных элементов для анализа пространственного изменения поля напряжения. Несмотря на то, что мы не' не знаем, где произойдут самые резкие изменения в поле напряжения, до проведения расчетов, мы можем позволить программе самому решать, где требуются меньшие ячейки сетки, с помощью адаптивного уточнения сетки.

Мы использовали адаптивное уточнение сетки несколько раз, и результаты показаны в таблице ниже. Эти результаты были получены на компьютере с восьмиядерным процессором Xeon с тактовой частотой 3,7 ГГц и 64 ГБ памяти:

Из приведенной выше таблицы можно сделать вывод, что мы можем начать с очень грубой сетки, а затем использовать адаптивное уточнение сетки, чтобы получить более точное значение емкости. Однако это увеличит использование памяти и продлит время решения. Разница в процентах емкости относится к самой мелкой ячейке.

Рассчитать матрицу емкостей

До сих пор мы сосредоточились только на вычислении емкости между двумя электродами в массиве. Фактически, мы надеемся, что сможем рассчитать емкость между всеми электродами в массиве емкостей, то есть матрице емкости. Симметричная квадратная матрица определяет соотношение между напряжением и зарядом, приложенным ко всем электродам в системе. Для системы, состоящей из n электродов и земли, матрица имеет вид:

Эти диагональные и недиагональные члены автоматически рассчитываются программой. Эта часть контента будет описана более подробно в последующих публикациях блога.

резюме

Мы изучили пример использования функции электростатического моделирования модуля AC / DC для решения устройства с емкостным сенсорным экраном. Хотя геометрия упрощена для презентационных целей, описанные методы также могут применяться к более сложным конструкциям.

При решении этого типа конечно-элементной модели очень важно изучить сходимость требуемой физической величины (в данном случае это обычно случай емкости по отношению к измельчению сетки). Функция адаптивного уточнения сетки значительно улучшает автоматизацию этапа проверки модели.

При решении таких больших моделей вы также можете использовать решатель с распределенной параллельной памятью, чтобы сократить время решения. Конечно, функции COMSOL Multiphysics и его модуля AC / DC не ограничиваются введением в статью, вы можете использовать его для достижения большего количества функций. Если вы хотите узнать больше, свяжитесь с нами.

Перепечатано с разрешения http://cn.comsol.com/blogs/, оригинальный автор Walter Frei.