Simuleringsanalyse av kapasitiv berøringsskjerm

Berøringsskjermteknologi brukes i mobiltelefoner, e-boklesere, datamaskiner og til og med elektroniske forbrukerprodukter som klokker. En eller annen form for kapasitiv sensing brukes i et stort antall berøringsskjermer. La's ta en titt på hvordan du bruker AC/DC-modulen til COMSOL Multiphysics for å analysere denne typen kapasitive sensorer.

Introduksjon til kapasitiv sansing

For kapasitive sensorer som de som brukes i berøringsskjermenheter, inneholder de et stort antall ledende elektroder innebygd i gjennomsiktige dielektriske materialer (som glass eller til og med safirskjermer). Selve elektrodene er veldig tynne, laget av nesten helt gjennomsiktig materiale, og usynlige for det blotte øye.

La's starte med en veldig grunnleggende struktur, som inkluderer to elektrodematriser som krysser hverandre i en 90° vinkel, som vist i figuren nedenfor.

Vær oppmerksom på at selve berøringsskjermen er mer komplisert enn det vi har sett her, men simuleringsferdighetene er i utgangspunktet de samme.

Forenklet skjematisk diagram av kjernekomponentene i den kapasitive berøringsskjermsensoren (ikke i skala)

Når en spenningsforskjell påføres mellom to eller flere elektroder, genereres et elektrostatisk felt. Selv om det elektrostatiske feltet er sterkest mellom elektrodene og området rundt elektrodene, strekker det seg fortsatt en viss avstand utover. Når et ledende objekt (som en finger) nærmer seg dette området, vil det elektriske feltet endres, slik at endringen i den kombinerte kapasitansen mellom de to aktive elektrodene kan oppdages. Det er gjennom denne kapasitansforskjellen vi merker posisjonen til fingeren som berører skjermen.

Når det påføres en potensialforskjell mellom noen av elektrodene, kan de andre elektrodene være elektrisk isolert individuelt, eller elektrisk koblet sammen som en helhet, men fortsatt i en elektrisk isolert tilstand. Derfor kan de ha et konstant, men ukjent potensial.

Riktig simulering av disse elektrodene, omgivende metallskall og andre dielektriske objekter er nøkkelen til å beregne kapasitansendringer. La's ta en titt på hvordan du bruker funksjonen til AC/DC-modulen for å oppnå dette.

Simuler den kapasitive sensoren i en klokke

For en så relativt liten enhet kan vi simulere hele strukturen; størrelsen på sensoren er bare 20 * 30 mm, og avstanden mellom de to elektrodene er 1 mm. For større berøringsskjermer er det mer rimelig å vurdere kun et lite område av hele skjermen.

Kapasitiv sensor innebygd i glassskiven (gjennomsiktig). Stroppen og vesken er kun for visualiseringsformål.

Som vist i figuren nedenfor er simuleringsdomenet et sylindrisk område. Dette området inneholder glassskjermen, fingrene og luften rundt klokken. Vi har grunn til å tro at påvirkningen av størrelsen på omgivelsesluften raskt vil avta ettersom størrelsen øker.

Grensebetingelser brukt

Her er grensen til luftdomenet satt som en nullladningsbetingelse for å simulere grensen som et ledig rom. I tillegg er to av de parallelle elektrodene satt som jordgrensebetingelser, og spenningsfeltet er satt til null. To av de vertikale elektrodene er satt som terminale grensebetingelser, og spenningen er en konstant verdi. Terminalgrensebetingelsene vil automatisk beregne kapasitansen. Alle andre grenser er simulert av flytende potensielle grenseforhold.

Visualiser den endelige elementmodellen. Fingeren (grå), det elektriske skjoldet (oransje) og alle de ueksiterte elektrodene (røde og grønne) simuleres av den flytende potensielle grensetilstanden. En potensialforskjell påføres de to elektrodene (hvit og svart). En del av skiven (cyan) er skjult. Alle andre overflater bruker grensebetingelser for elektrisk isolasjon (blå). Luften og skiven er volummasket. For oversiktens skyld er kun en del av rutenettets overflate vist.

Den flytende potensielle grensebetingelsen brukes til å representere et sett med overflater hvor ladning kan omfordeles fritt. Hensikten med innstillingen er å simulere grensen til et objekt med et konstant, men ukjent potensial. Dette er resultatet av påføring av et eksternt elektrostatisk felt.

Denne typen flytende potensielle grenseforhold brukes på flere sett med overflater, for eksempel bunnflaten på en klokke, som representerer den elektriske skjermingen under glasset. Elektrodene som for øyeblikket ikke er begeistret er en del av en enkelt flytende potensial-grensetilstand (forutsatt at alle elektrodene er elektrisk koblet sammen). Merk at alternativet for flytende potensialgruppe kan brukes til å la hver fysisk uavhengige grense flyte til en annen konstant spenning. Det er også mulig å kombinere elektroder av hvilken som helst kombinasjon i samme gruppe for å koble dem sammen elektrisk.

Fingergrensen (når inkludert i modellen) bruker også den flytende potensielle grensebetingelsen. Det antas at menneskekroppen er en relativt god leder i forhold til luft og dielektriske lag.

Materialer brukt

Her brukes kun to forskjellige materialer. Forhåndsinnstilte luftmaterialer brukes i de fleste domener, og dielektrisitetskonstanten er satt til 1. Skjermen bruker et forhåndsinnstilt kvartsglassmateriale for å gi den en høyere dielektrisitetskonstant.

Selv om skjermen i seg selv er en sandwichstruktur sammensatt av forskjellige materialer, kan vi anta at alle lag har samme materialegenskaper. Derfor er det ikke nødvendig å eksplisitt modellere hver grense mellom dem; alle lag behandles som et enkelt domene.

Visualiser fargen på logaritmen til den elektriske feltverdien. Siden fingeren blir sett på som et flytende potensial, kan dets indre elektriske felt ignoreres.

Nøyaktig løsning oppnådd ved bruk av adaptiv mesh-forfining

For å oppnå nøyaktige resultater er det nødvendig å ha et tilstrekkelig raffinert finitt element-nett for å analysere den romlige variasjonen av spenningsfeltet. Selv om vi ikke vet hvor de mest dramatiske endringene i spenningsfeltet vil vises før beregninger, kan vi la programvaren selv bestemme hvor mindre rutenettceller er nødvendig gjennom adaptiv mesh-forfining.

Vi brukte adaptiv mesh-forfining flere ganger, og resultatene er vist i tabellen nedenfor. Disse resultatene ble oppnådd på en datamaskin konfigurert med en 3,7 GHz åttekjernes Xeon-prosessor og 64 GB minne:

Det kan utledes av tabellen ovenfor at vi kan starte med et veldig grovt nett og deretter bruke adaptiv nettforfining for å få en mer nøyaktig kapasitansverdi. Men å gjøre det vil øke minnebruken og forlenge løsningstiden. Forskjellen i kapasitansprosent er for den fineste mesh.

Beregn kapasitansmatrisen

Så langt har vi kun fokusert på beregningen av kapasitansen mellom de to elektrodene i arrayet. Faktisk håper vi å kunne beregne kapasitansen mellom alle elektrodene i kapasitansmatrisen, det vil si kapasitansmatrisen. Den symmetriske kvadratiske matrisen definerer forholdet mellom spenningen og ladningen som påføres alle elektroder i systemet. For et system som består av n elektroder og en jord, er matrisen:

Disse diagonale og ikke-diagonale termene beregnes automatisk av programvaren. Denne delen av innholdet vil bli beskrevet mer detaljert i påfølgende blogginnlegg.

sammendrag

Vi studerte et eksempel på bruk av den elektrostatiske simuleringsfunksjonen til AC/DC-modulen for å løse en kapasitiv berøringsskjermenhet. Selv om geometrien er forenklet for presentasjonsformål, kan de beskrevne teknikkene også brukes på mer komplekse strukturer.

Når du løser denne typen endelige elementmodeller, er det veldig viktig å studere konvergensen av den nødvendige fysiske mengden (i dette tilfellet er det vanligvis tilfellet med kapasitans i forhold til nettforfining). Den adaptive mesh-forfiningsfunksjonen forbedrer automatiseringen av modellverifiseringstrinnet betraktelig.

Når du løser så store modeller, kan du også bruke den distribuerte parallelle minneløseren for å få raskere løsningstid. Selvfølgelig er funksjonen til COMSOL Multiphysics og dens AC/DC-modul ikke begrenset til introduksjonen i artikkelen, du kan bruke den til å oppnå flere funksjoner. Hvis du vil vite mer, vennligst kontakt oss.

Gjengitt med autorisasjon fra http://cn.comsol.com/blogs/, original forfatter Walter Frei.