Kapacitatīvā skārienekrāna simulācijas analīze

Skārienekrāna tehnoloģija tiek izmantota mobilajos tālruņos, e-grāmatu lasītājos, datoros un pat plaša patēriņa elektroniskajos produktos, piemēram, pulksteņos. Daži kapacitatīvās sensori tiek izmantoti daudzos skārienekrānos. Ļaujiet' apskatīt, kā izmantot COMSOL Multiphysics maiņstrāvas/līdzstrāvas moduli, lai analizētu šāda veida kapacitatīvo sensoru.

Ievads kapacitatīvā sensorā

Attiecībā uz kapacitatīviem sensoriem, piemēram, tiem, ko izmanto skārienekrāna ierīcēs, tie satur lielu skaitu vadošu elektrodu, kas iestrādāti caurspīdīgos dielektriskos materiālos (piemēram, stikla vai pat safīra ekrānos). Paši elektrodi ir ļoti plāni, izgatavoti no gandrīz pilnīgi caurspīdīga materiāla un nav redzami ar neapbruņotu aci.

Sāksim' ar ļoti vienkāršu struktūru, kas ietver divus elektrodu blokus, kas krustojas 90° leņķī, kā parādīts attēlā zemāk.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka faktiskais skārienekrāns ir sarežģītāks nekā šeit redzamais, taču simulācijas prasmes būtībā ir vienādas.

Vienkāršota kapacitatīvā skārienekrāna sensora galveno komponentu shematiska diagramma (nav mērogā)

Ja starp diviem vai vairākiem elektrodiem tiek pielietota sprieguma starpība, tiek ģenerēts elektrostatiskais lauks. Lai gan elektrostatiskais lauks ir spēcīgākais starp elektrodiem un zonu, kas ieskauj elektrodus, tas joprojām sniedzas zināmu attālumu uz āru. Kad vadošs objekts (piemēram, pirksts) tuvojas šai zonai, elektriskais lauks mainīsies, lai varētu noteikt kombinētās kapacitātes izmaiņas starp diviem aktīvajiem elektrodiem. Pateicoties šai kapacitātes atšķirībai, mēs uztveram tā pirksta stāvokli, kas pieskaras ekrānam.

Ja starp dažiem elektrodiem tiek pielietota potenciāla atšķirība, pārējos elektrodus var elektriski izolēt atsevišķi vai elektriski savienot kopā, bet joprojām elektriski izolēti. Tāpēc tiem var būt pastāvīgs, bet nezināms potenciāls.

Šo elektrodu, apkārtējo metāla apvalku un citu dielektrisku objektu pareiza simulācija ir atslēga kapacitātes izmaiņu aprēķināšanai. Ļaujiet' apskatīt, kā izmantot AC/DC moduļa funkciju, lai to panāktu.

Imitējiet kapacitatīvo sensoru pulkstenī

Šādai salīdzinoši mazai ierīcei mēs varam simulēt visu struktūru; sensora izmērs ir tikai 20 * 30 mm, un attālums starp diviem elektrodiem ir 1 mm. Lielākiem skārienekrāniem ir saprātīgāk ņemt vērā tikai nelielu visa ekrāna laukumu.

Stikla skalā iestrādāts kapacitatīvs sensors (caurspīdīgs). Siksna un futrālis ir paredzēti tikai vizualizācijas nolūkiem.

Kā parādīts attēlā zemāk, simulācijas domēns ir cilindrisks laukums. Šajā zonā ir stikla ekrāns, pirksti un gaiss ap pulksteni. Mums ir pamats uzskatīt, ka apkārtējā gaisa lieluma ietekme strauji samazināsies, palielinoties izmēram.

Izmantotie robežnosacījumi

Šeit gaisa domēna robeža ir iestatīta kā nulles maksas nosacījums, lai simulētu robežu kā brīvu vietu. Turklāt divi no paralēlajiem elektrodiem ir iestatīti kā zemes robežnosacījumi, un sprieguma lauks ir fiksēts uz nulli. Divi no vertikālajiem elektrodiem ir iestatīti kā termināla robežnosacījumi, un spriegums ir nemainīga vērtība. Termināla robežnosacījumi automātiski aprēķinās kapacitāti. Visas pārējās robežas tiek simulētas ar peldošiem potenciāla robežnosacījumiem.

Vizualizējiet galīgo elementu modeli. Pirksts (pelēks), elektriskais vairogs (oranžs) un visi neierosinātie elektrodi (sarkans un zaļš) tiek simulēti ar peldošā potenciāla robežnosacījumu. Abiem elektrodiem (baltajiem un melnajiem) tiek piemērota potenciāla atšķirība. Daļa no ciparnīcas (ciāna) ir paslēpta. Visām pārējām virsmām tiek izmantoti elektriskās izolācijas robežnosacījumi (zilā krāsā). Gaiss un ciparnīca ir saskaņoti ar tilpumu. Skaidrības labad ir parādīta tikai daļa no režģa virsmas.

Peldošā potenciāla robežnosacījums tiek izmantots, lai attēlotu virsmu kopu, uz kuras lādiņu var brīvi sadalīt. Iestatījuma mērķis ir simulēt objekta robežu ar nemainīgu, bet nezināmu potenciālu. Tas ir ārēja elektrostatiskā lauka pielietošanas rezultāts.

Šāda veida peldošā potenciāla robežnosacījums tiek izmantots vairākām virsmu kopām, piemēram, pulksteņa apakšējā virsma, kas attēlo elektrisko ekranējumu zem stikla korpusa. Elektrodi, kas pašlaik nav ierosināti, ir daļa no viena peldoša potenciāla robežnosacījuma (pieņemot, ka visi elektrodi ir elektriski savienoti kopā). Ņemiet vērā, ka peldošā potenciāla grupas opciju var izmantot, lai ļautu katrai fiziski neatkarīgai robežai peldēt uz atšķirīgu pastāvīgu spriegumu. Ir iespējams arī apvienot jebkuras kombinācijas elektrodus vienā grupā, lai elektriski savienotu tos kopā.

Pirksta robeža (ja tā ir iekļauta modelī) izmanto arī peldošā potenciāla robežas nosacījumu. Tiek pieņemts, ka cilvēka ķermenis ir salīdzinoši labs vadītājs attiecībā pret gaisu un dielektriskajiem slāņiem.

Izmantotie materiāli

Šeit tiek izmantoti tikai divi dažādi materiāli. Lielākajā daļā jomu tiek izmantoti iepriekš iestatīti gaisa materiāli, un dielektriskā konstante ir iestatīta uz 1. Ekrānā tiek izmantots iepriekš iestatīts kvarca stikla materiāls, lai piešķirtu tam augstāku dielektrisko konstanti.

Lai gan pats ekrāns ir sviestmaižu struktūra, kas sastāv no dažādiem materiāliem, mēs varam pieņemt, ka visiem slāņiem ir vienādas materiāla īpašības. Tāpēc nav nepieciešams skaidri modelēt katru robežu starp tām; visi slāņi tiek uzskatīti par vienu domēnu.

Vizualizējiet elektriskā lauka vērtības logaritma krāsu. Tā kā pirksts tiek uzskatīts par peldošu potenciālu, tā iekšējo elektrisko lauku var ignorēt.

Precīzs risinājums iegūts, izmantojot adaptīvo sieta precizēšanu

Lai iegūtu precīzus rezultātus, ir nepieciešams pietiekami pilnveidots galīgo elementu režģis, lai analizētu sprieguma lauka telpiskās izmaiņas. Lai gan mēs nezinām' pirms aprēķiniem parādīsies visdramatiskākās izmaiņas sprieguma laukā, mēs varam ļaut programmatūrai pašai izlemt, kur ir nepieciešamas mazākas režģa šūnas, izmantojot adaptīvo tīkla precizēšanu.

Mēs vairākas reizes izmantojām adaptīvo sietu precizēšanu, un rezultāti ir parādīti zemāk esošajā tabulā. Šie rezultāti tika iegūti datorā, kas konfigurēts ar 3,7 GHz astoņu kodolu Xeon procesoru un 64 GB atmiņu:

No iepriekš minētās tabulas var secināt, ka mēs varam sākt ar ļoti rupju sietu un pēc tam izmantot adaptīvo sietu precizēšanu, lai iegūtu precīzāku kapacitātes vērtību. Tomēr šādi rīkojoties, palielināsies atmiņas lietojums un paildzināsies risinājuma laiks. Kapacitātes procentuālā atšķirība attiecas uz smalkāko sietu.

Aprēķiniet kapacitātes matricu

Līdz šim mēs esam koncentrējušies tikai uz kapacitātes aprēķināšanu starp diviem masīvā esošajiem elektrodiem. Faktiski mēs ceram, ka varēsim aprēķināt kapacitāti starp visiem elektrodiem kapacitātes masīvā, tas ir, kapacitātes matricā. Simetriskā kvadrātveida matrica nosaka attiecības starp spriegumu un lādiņu, kas tiek pielietots visiem sistēmas elektrodiem. Sistēmai, kas sastāv no n elektrodiem un zemējuma, matrica ir:

Programmatūra automātiski aprēķina šos diagonālos un nediagonālos terminus. Šī satura daļa tiks sīkāk aprakstīta turpmākajos emuāra ierakstos.

kopsavilkums

Mēs pētījām piemēru, kā izmantot maiņstrāvas / līdzstrāvas moduļa elektrostatiskās simulācijas funkciju, lai atrisinātu kapacitatīvo skārienekrāna ierīci. Lai gan prezentācijas nolūkos ģeometrija ir vienkāršota, aprakstītās metodes var izmantot arī sarežģītākām konstrukcijām.

Risinot šāda veida galīgo elementu modeli, ir ļoti svarīgi izpētīt vajadzīgā fiziskā daudzuma konverģenci (šajā gadījumā parasti runa ir par kapacitāti attiecībā pret acs precizējumu). Adaptīvā sieta precizēšanas funkcija ievērojami uzlabo modeļa verifikācijas soļa automatizāciju.

Risinot tik lielus modeļus, varat izmantot arī sadalīto paralēlās atmiņas risinātāju, lai ātrāk atrisinātu risinājumu. Protams, COMSOL Multiphysics un tā maiņstrāvas/līdzstrāvas moduļa funkcija neaprobežojas tikai ar ievadu rakstā, jūs varat to izmantot, lai sasniegtu vairāk funkciju. Ja vēlaties uzzināt vairāk, lūdzu, sazinieties ar mums.

Pārpublicēts ar atļauju no http://cn.comsol.com/blogs/, sākotnējais autors Valters Frei.