Імітаційний аналіз ємнісного сенсорного екрану

Технологія сенсорного екрану використовується в мобільних телефонах, пристроях для читання електронних книг, комп’ютерах і навіть споживчих електронних виробах, таких як годинники. У великій кількості сенсорних екранів використовується певна форма ємнісного датчика. Давайте' розглянемо, як використовувати модуль AC/DC COMSOL Multiphysics для аналізу цього типу ємнісного датчика.

Вступ до ємнісного зондування

Для ємнісних датчиків, таких як ті, що використовуються в пристроях із сенсорним екраном, вони містять велику кількість провідних електродів, вбудованих у прозорі діелектричні матеріали (наприклад, скло або навіть сапфірові екрани). Самі електроди дуже тонкі, виготовлені з майже повністю прозорого матеріалу і невидимі неозброєним оком.

Почнемо' з дуже базової структури, яка включає два електродних масиву, що перетинаються під кутом 90°, як показано на малюнку нижче.

Зауважте, що фактичний сенсорний екран є складнішим, ніж те, що ми бачили тут, але навички моделювання в основному ті самі.

Спрощена принципова схема основних компонентів ємнісного сенсорного сенсора (не в масштабі)

Коли різниця напруг прикладається між будь-якими двома або більше електродами, утворюється електростатичне поле. Хоча електростатичне поле є найсильнішим між електродами та зоною навколо електродів, воно все одно поширюється на певну відстань назовні. Коли струмопровідний об’єкт (наприклад, палець) наближається до цієї області, електричне поле зміниться, щоб можна було виявити зміну сумарної ємності між двома активними електродами. Саме через цю різницю ємностей ми відчуваємо положення пальця, який торкається екрану.

Коли між деякими електродами прикладається різниця потенціалів, інші електроди можуть бути електрично ізольовані окремо або електрично з’єднані як ціле, але все ще в електрично ізольованому стані. Тому вони можуть мати постійний, але невідомий потенціал.

Правильне моделювання цих електродів, навколишніх металевих оболонок та інших діелектричних об’єктів є ключем до розрахунку змін ємності. Давайте' подивимося, як використовувати функцію модуля AC/DC для досягнення цього.

Зімітуйте ємнісний датчик в годиннику

Для такого відносно невеликого пристрою ми можемо змоделювати всю конструкцію; розмір датчика всього 20 * 30 мм, а відстань між двома електродами 1 мм. Для великих сенсорних екранів розумніше розглядати лише невелику площу всього екрана.

Ємнісний датчик, вбудований у скляний циферблат (прозорий). Ремінець і футляр призначені лише для візуалізації.

Як показано на малюнку нижче, область моделювання є циліндричною областю. Ця область містить скляний екран, пальці та повітря навколо годинника. У нас є підстави вважати, що вплив розміру навколишнього повітря буде швидко зменшуватися зі збільшенням розміру.

Використані граничні умови

Тут межа повітряної області встановлюється як умова нульового заряду для імітації кордону як вільного простору. Крім того, два з паралельних електродів встановлюються як граничні умови землі, а поле напруги фіксується на нулі. Два вертикальні електроди встановлюються як граничні умови, а напруга є постійною величиною. Граничні умови клеми автоматично обчислять ємність. Усі інші кордони моделюються за допомогою граничних умов з плаваючим потенціалом.

Візуалізуйте скінченноелементну модель. Палець (сірий), електричний екран (помаранчевий) і всі незбуджені електроди (червоний і зелений) моделюються граничною умовою плаваючого потенціалу. Різниця потенціалів прикладена до двох електродів (білого і чорного). Частина циферблата (блакитний) прихована. На всіх інших поверхнях використовуються граничні умови електричної ізоляції (синій колір). Повітря і циферблат об'ємні сітки. Для наочності показана лише частина поверхні сітки.

Гранична умова плаваючого потенціалу використовується для представлення набору поверхонь, на яких можна вільно перерозподіляти заряд. Метою налаштування є моделювання межі об’єкта з постійним, але невідомим потенціалом. Це результат застосування зовнішнього електростатичного поля.

Цей тип граничної умови плаваючого потенціалу використовується на кількох наборах поверхонь, таких як нижня поверхня годинника, яка являє собою електричне екранування під скляним корпусом. Електроди, які в даний момент не збуджені, є частиною єдиної граничної умови плаваючого потенціалу (за умови, що всі електроди електрично з’єднані разом). Зауважте, що параметр групи плаваючого потенціалу можна використовувати, щоб дозволити кожній фізично незалежній межі плавати до різної постійної напруги. Також можна об’єднати електроди будь-якої комбінації в одну групу, щоб електрично з’єднати їх разом.

Межа пальця (якщо включена в модель) також використовує граничну умову плаваючого потенціалу. Передбачається, що тіло людини є відносно хорошим провідником щодо шарів повітря та діелектрика.

Використані матеріали

Тут використовуються лише два різних матеріали. Попередньо встановлені повітряні матеріали використовуються в більшості доменів, а діелектрична проникність встановлена ​​на 1. На екрані використовується попередньо встановлений матеріал кварцового скла, щоб надати йому більшу діелектричну проникність.

Хоча сам екран є сендвіч-структурою, що складається з різних матеріалів, можна припустити, що всі шари мають однакові властивості матеріалу. Тому немає потреби явно моделювати кожну межу між ними; всі шари розглядаються як єдиний домен.

Візуалізуйте колір логарифма значення електричного поля. Оскільки палець розглядається як плаваючий потенціал, його внутрішнім електричним полем можна ігнорувати.

Точне рішення отримано за допомогою адаптивного уточнення сітки

Для отримання точних результатів необхідно мати достатньо витончену сітку кінцевих елементів для аналізу просторової зміни поля напруги. Хоча ми' не знаємо, де з’являться найбільш різкі зміни в полі напруги перед обчисленнями, ми можемо дозволити програмному забезпеченню самостійно вирішувати, де потрібні менші осередки сітки за допомогою адаптивного уточнення сітки.

Ми кілька разів використовували адаптивне уточнення сітки, і результати наведено в таблиці нижче. Ці результати були отримані на комп’ютері з восьмиядерним процесором Xeon 3,7 ГГц і 64 ГБ пам’яті:

З наведеної вище таблиці можна зробити висновок, що ми можемо почати з дуже грубої сітки, а потім використовувати адаптивне уточнення сітки, щоб отримати більш точне значення ємності. Однак це збільшить використання пам’яті та подовжить час вирішення. Різниця у відсотках ємності для найтоншої сітки.

Обчисліть матрицю ємності

Поки що ми зосередилися лише на розрахунку ємності між двома електродами в масиві. Насправді, ми сподіваємося, що зможемо розрахувати ємність між усіма електродами в масиві ємностей, тобто матриці ємностей. Симетрична квадратна матриця визначає співвідношення між напругою та зарядом, прикладеним до всіх електродів системи. Для системи, що складається з n електродів і заземлення, матриця виглядає так:

Ці діагональні та недіагональні умови автоматично обчислюються програмним забезпеченням. Ця частина вмісту буде більш детально описана в наступних публікаціях блогу.

резюме

Ми вивчили приклад використання функції електростатичного моделювання модуля AC/DC для вирішення ємнісного сенсорного пристрою. Хоча геометрія спрощена для презентаційних цілей, описані методи також можна застосувати до більш складних конструкцій.

При розв’язуванні даного типу скінченноелементної моделі дуже важливо вивчити збіжність необхідної фізичної величини (в даному випадку зазвичай мова йде про ємність відносно уточнення сітки). Функція адаптивного уточнення сітки значно покращує автоматизацію етапу перевірки моделі.

Вирішуючи такі великі моделі, ви також можете використовувати розв’язувач із розподіленою паралельною пам’яттю, щоб отримати швидший час вирішення. Звичайно, функція COMSOL Multiphysics та її модуля AC/DC не обмежується введенням у статтю, ви можете використовувати її для досягнення більшої кількості функцій. Якщо ви хочете дізнатися більше, зв’яжіться з нами.

Передруковано з дозволу http://cn.comsol.com/blogs/, автор оригінального тексту Вальтер Фрай.