Simulacijska analiza kapacitivnega zaslona na dotik

Tehnologija zaslona na dotik se uporablja v mobilnih telefonih, bralnikih e-knjig, računalnikih in celo potrošniških elektronskih izdelkih, kot so ure. Nekatere oblike kapacitivnega zaznavanja se uporabljajo v velikem številu zaslonov na dotik. Naj' poglejmo, kako uporabiti AC/DC modul COMSOL Multiphysics za analizo te vrste kapacitivnega senzorja.

Uvod v kapacitivno zaznavanje

Za kapacitivne senzorje, kot so tisti, ki se uporabljajo v napravah z zaslonom na dotik, vsebujejo veliko število prevodnih elektrod, vgrajenih v prozorne dielektrične materiale (kot so steklo ali celo safirni zasloni). Same elektrode so zelo tanke, narejene iz skoraj popolnoma prozornega materiala in s prostim očesom nevidne.

Naj's začnemo z zelo osnovno strukturo, ki vključuje dva niza elektrod, ki se sekata pod kotom 90°, kot je prikazano na spodnji sliki.

Upoštevajte, da je dejanski zaslon na dotik bolj zapleten od tega, kar smo videli tukaj, vendar so simulacijske sposobnosti v bistvu enake.

Poenostavljen shematski diagram osnovnih komponent v kapacitivnem senzorju zaslona na dotik (ne v merilu)

Ko pride do napetostne razlike med dvema ali več elektrodami, nastane elektrostatično polje. Čeprav je elektrostatično polje najmočnejše med elektrodami in območjem, ki obdaja elektrode, se še vedno razteza določeno razdaljo navzven. Ko se prevodni predmet (kot je prst) približa temu območju, se električno polje spremeni, tako da je mogoče zaznati spremembo skupne kapacitivnosti med obema aktivnima elektrodama. Skozi to razliko v kapacitivnosti zaznamo položaj prsta, ki se dotika zaslona.

Ko se med nekaterimi elektrodami uporabi potencialna razlika, so druge elektrode lahko električno izolirane posamezno ali električno povezane kot celota, vendar še vedno v električno izoliranem stanju. Zato imajo lahko stalen, a neznan potencial.

Pravilna simulacija teh elektrod, okoliških kovinskih lupin in drugih dielektričnih predmetov je ključna za izračun sprememb kapacitivnosti. Naj's poglejmo, kako uporabiti funkcijo AC/DC modula, da to dosežemo.

Simulirajte kapacitivni senzor v uri

Za tako relativno majhno napravo lahko simuliramo celotno strukturo; velikost senzorja je le 20 * 30 mm, razdalja med elektrodama pa 1 mm. Pri večjih zaslonih na dotik je bolj smiselno upoštevati le majhno površino celotnega zaslona.

Kapacitivni senzor, vgrajen v stekleno številčnico (prozorno). Pas in etui sta samo za vizualne namene.

Kot je prikazano na spodnji sliki, je simulacijska domena valjasto območje. To območje vsebuje stekleni zaslon, prste in zrak okoli ure. Imamo razlog, da verjamemo, da se bo vpliv velikosti zraka v okolici hitro zmanjšal, ko se bo velikost povečala.

Uporabljeni mejni pogoji

Tukaj je meja zračne domene nastavljena kot pogoj ničelnega naboja za simulacijo meje kot prostega prostora. Poleg tega sta dve vzporedni elektrodi nastavljeni kot zemeljska mejna pogoja, napetostno polje pa je fiksirano na nič. Dve navpični elektrodi sta nastavljeni kot mejna pogoja terminala, napetost pa je konstantna vrednost. Mejni pogoji terminala bodo samodejno izračunali kapacitivnost. Vse ostale meje so simulirane s plavajočimi potencialnimi mejnimi pogoji.

Vizualizirajte model končnih elementov. Prst (siva), električni ščit (oranžna) in vse nevzbujene elektrode (rdeča in zelena) so simulirane z mejnim pogojem plavajočega potenciala. Na dve elektrodi (bela in črna) se uporabi potencialna razlika. Del številčnice (cian) je skrit. Vse druge površine uporabljajo mejne pogoje električne izolacije (modra). Zrak in številčnica sta prostorninska mrežasta. Zaradi jasnosti je prikazan le del površine mreže.

Mejni pogoj plavajočega potenciala se uporablja za predstavitev niza površin, na katerih je mogoče prosto prerazporediti naboj. Namen nastavitve je simulacija meje predmeta s konstantnim, a neznanim potencialom. To je posledica uporabe zunanjega elektrostatičnega polja.

Ta vrsta mejnega pogoja plavajočega potenciala se uporablja na več sklopih površin, kot je spodnja površina ure, ki predstavlja električno zaščito pod steklenim ohišjem. Elektrode, ki trenutno niso vzbujene, so del enega samega mejnega pogoja plavajočega potenciala (ob predpostavki, da so vse elektrode električno povezane skupaj). Upoštevajte, da je mogoče uporabiti možnost skupine plavajočih potencialov, da omogočite, da vsaka fizično neodvisna meja plava na drugačno konstantno napetost. Možno je tudi kombinirati elektrode katere koli kombinacije v isto skupino, da jih električno povežemo skupaj.

Meja prsta (če je vključena v model) uporablja tudi mejni pogoj plavajočega potenciala. Domneva se, da je človeško telo relativno dober prevodnik glede na zračne in dielektrične plasti.

Uporabljeni materiali

Tukaj se uporabljata samo dva različna materiala. Prednastavljeni zračni materiali se uporabljajo v večini domen, dielektrična konstanta pa je nastavljena na 1. Zaslon uporablja prednastavljen material iz kremenčevega stekla, ki mu daje višjo dielektrično konstanto.

Čeprav je zaslon sam sendvič struktura, sestavljena iz različnih materialov, lahko domnevamo, da imajo vse plasti enake lastnosti materiala. Zato ni treba eksplicitno modelirati vsake meje med njima; vse plasti se obravnavajo kot ena domena.

Vizualizirajte barvo logaritma vrednosti električnega polja. Ker je prst viden kot plavajoči potencial, lahko njegovo notranje električno polje zanemarimo.

Natančna rešitev, pridobljena z uporabo prilagodljivega izpopolnjevanja mreže

Za pridobitev točnih rezultatov je potrebno imeti dovolj izpopolnjeno mrežo končnih elementov za analizo prostorske variacije napetostnega polja. Čeprav' ne vemo, kje se bodo pojavile najbolj dramatične spremembe v napetostnem polju pred izračuni, lahko pustimo, da se programska oprema sama odloči, kje so potrebne manjše mrežne celice s prilagodljivim izpopolnjevanjem mreže.

Večkrat smo uporabili prilagodljivo prečiščevanje mreže, rezultati pa so prikazani v spodnji tabeli. Ti rezultati so bili pridobljeni na računalniku, ki je bil konfiguriran z 3,7 GHz osemjedrnim procesorjem Xeon in 64 GB pomnilnika:

Iz zgornje tabele je mogoče sklepati, da lahko začnemo z zelo grobo mrežo in nato uporabimo prilagodljivo izpopolnjevanje mreže, da dobimo natančnejšo vrednost kapacitivnosti. Vendar pa bo to povečalo porabo pomnilnika in podaljšalo čas rešitve. Razlika v odstotkih kapacitivnosti je za najbolj fino mrežo.

Izračunajte matriko kapacitivnosti

Doslej smo se osredotočili le na izračun kapacitivnosti med dvema elektrodama v nizu. Pravzaprav upamo, da bomo lahko izračunali kapacitivnost med vsemi elektrodami v kapacitivnem nizu, to je matriko kapacitivnosti. Simetrična kvadratna matrika določa razmerje med napetostjo in nabojem, ki se uporablja za vse elektrode v sistemu. Za sistem, sestavljen iz n elektrod in ozemljitve, je matrika:

Programska oprema samodejno izračuna te diagonalne in nediagonalne izraze. Ta del vsebine bo podrobneje opisan v naslednjih objavah na blogu.

povzetek

Preučili smo primer uporabe funkcije elektrostatične simulacije AC/DC modula za rešitev kapacitivnega zaslona na dotik. Čeprav je geometrija poenostavljena za namene predstavitve, je opisane tehnike mogoče uporabiti tudi za bolj zapletene strukture.

Pri reševanju tovrstnega modela končnih elementov je zelo pomembno preučiti konvergenco zahtevane fizikalne količine (v tem primeru gre običajno za primer kapacitivnosti glede na prečiščevanje mreže). Funkcija prilagodljivega izpopolnjevanja mreže močno izboljša avtomatizacijo koraka preverjanja modela.

Pri reševanju tako velikih modelov lahko uporabite tudi reševalnik porazdeljenega vzporednega pomnilnika, da dobite hitrejši čas rešitve. Seveda funkcija COMSOL Multiphysics in njenega AC/DC modula ni omejena na uvod v članku, z njim lahko dosežete več funkcij. Če želite izvedeti več, nas kontaktirajte.

Ponatis z dovoljenjem http://cn.comsol.com/blogs/, izvirni avtor Walter Frei.