Симулациона анализа капацитивног екрана осетљивог на додир

Технологија екрана осетљивог на додир се користи у мобилним телефонима, читачима е-књига, рачунарима, па чак и потрошачким електронским производима као што су сатови. Неки облик капацитивног сенсинга се користи у великом броју екрана осетљивих на додир. Хајде да [ГГ] #39; погледамо како да користимо АЦ/ДЦ модул ЦОМСОЛ Мултипхисицс-а за анализу овог типа капацитивног сензора.

Увод у капацитивни сензор

За капацитивне сензоре као што су они који се користе у уређајима са екраном осетљивим на додир, они садрже велики број проводних електрода уграђених у провидне диелектричне материјале (као што су стакло или чак екрани од сафира). Саме електроде су веома танке, направљене од скоро потпуно провидног материјала, и невидљиве голим оком.

Почнимо са [ГГ] #39; са врло основном структуром, која укључује два низа електрода који се секу под углом од 90°, као што је приказано на слици испод.

Имајте на уму да је стварни екран осетљив на додир компликованији од онога што смо овде видели, али вештине симулације су у основи исте.

Поједностављени шематски дијаграм основних компоненти у капацитивном сензору екрана на додир (не у размери)

Када се примени разлика напона између било које две или више електрода, генерише се електростатичко поље. Иако је електростатичко поље најјаче између електрода и подручја око електрода, оно се ипак протеже на одређено растојање ка споља. Када се проводни објекат (као што је прст) приближи овој области, електрично поље ће се променити, тако да се може детектовати промена комбинованог капацитета између две активне електроде. Кроз ову разлику у капацитету осећамо положај прста који додирује екран.

Када се разлика потенцијала примени између неке од електрода, друге електроде могу бити електрично изоловане појединачно, или електрично повезане у целину, али и даље у електрично изолованом стању. Стога, они могу имати сталан, али непознат потенцијал.

Исправна симулација ових електрода, околних металних шкољки и других диелектричних објеката је кључ за израчунавање промена капацитивности. Хајде да [ГГ] #39; погледамо како да користимо функцију АЦ/ДЦ модула да бисмо ово постигли.

Симулирајте капацитивни сензор у сату

За тако релативно мали уређај можемо симулирати целу структуру; величина сензора је само 20 * 30 мм, а растојање између две електроде је 1 мм. За веће екране осетљиве на додир, разумније је узети у обзир само малу површину целог екрана.

Капацитивни сензор уграђен у стаклени бројчаник (провидан). Каиш и футрола служе само у сврху визуелизације.

Као што је приказано на слици испод, домен симулације је цилиндрична област. Ово подручје садржи стаклени екран, прсте и ваздух око сата. Имамо разлога да верујемо да ће се утицај величине околног ваздуха брзо смањити како се величина повећава.

Коришћени гранични услови

Овде је граница ваздушног домена постављена као услов нултог пуњења да би се симулирала граница као слободан простор. Поред тога, две паралелне електроде су постављене као гранични услови земље, а напонско поље је фиксирано на нулу. Две вертикалне електроде су постављене као гранични услови терминала, а напон је константна вредност. Гранични услови терминала ће аутоматски израчунати капацитивност. Све остале границе се симулирају помоћу граничних услова плутајућег потенцијала.

Визуелизирајте модел коначних елемената. Прст (сива), електрични штит (наранџаста) и све непобуђене електроде (црвена и зелена) симулирани су граничним условом плутајућег потенцијала. Разлика потенцијала се примењује на две електроде (белу и црну). Део бројчаника (цијан) је сакривен. Све остале површине користе граничне услове електричне изолације (плаво). Ваздух и бројчаник су обујмљени. Ради јасноће приказан је само део површине мреже.

Гранични услов плутајућег потенцијала се користи за представљање скупа површина на којима се наелектрисање може слободно прерасподелити. Сврха поставке је да симулира границу објекта са константним, али непознатим потенцијалом. Ово је резултат примене спољашњег електростатичког поља.

Овај тип граничног услова плутајућег потенцијала се користи на неколико скупова површина, као што је доња површина сата, која представља електрични штит испод стакленог кућишта. Електроде које тренутно нису побуђене су део једног граничног услова плутајућег потенцијала (под претпоставком да су све електроде међусобно електрично повезане). Имајте на уму да се опција групе плутајућег потенцијала може користити како би се омогућило да свака физички независна граница плива на различит константан напон. Такође је могуће комбиновати електроде било које комбинације у исту групу да бисте их електрично повезали заједно.

Граница прста (када је укључена у модел) такође користи гранични услов плутајућег потенцијала. Претпоставља се да је људско тело релативно добар проводник у односу на ваздушне и диелектричне слојеве.

Коришћени материјали

Овде се користе само два различита материјала. Унапред подешени ваздушни материјали се користе у већини домена, а диелектрична константа је подешена на 1. Екран користи унапред подешен материјал од кварцног стакла да би му дао вишу диелектричну константу.

Иако је сам екран сендвич структура састављена од различитих материјала, можемо претпоставити да сви слојеви имају иста својства материјала. Стога, нема потребе да се експлицитно моделује свака граница између њих; сви слојеви се третирају као један домен.

Визуелно замислите боју логаритма вредности електричног поља. Пошто се прст посматра као плутајући потенцијал, његово унутрашње електрично поље се може занемарити.

Тачно решење добијено коришћењем адаптивног пречишћавања мреже

Да би се добили тачни резултати, неопходно је имати довољно рафинирану мрежу коначних елемената за анализу просторне варијације напонског поља. Иако не знамо [ГГ] #39;не знамо где ће се појавити најдраматичније промене у пољу напона пре израчунавања, можемо дозволити софтверу да сам одлучи где су мање ћелије мреже потребне кроз адаптивно прецизирање мреже.

Неколико пута смо користили адаптивно прецизирање мреже, а резултати су приказани у табели испод. Ови резултати су добијени на рачунару конфигурисаном са 3,7 ГХз осмојезгарним Ксеон процесором и 64 ГБ меморије:

Из горње табеле се може закључити да можемо почети са веома грубом мрежом, а затим користити адаптивно пречишћавање мреже да бисмо добили тачнију вредност капацитивности. Међутим, то ће повећати употребу меморије и продужити време решења. Разлика у процентима капацитивности је за најфинију мрежу.

Израчунајте матрицу капацитивности

До сада смо се фокусирали само на прорачун капацитивности између две електроде у низу. У ствари, надамо се да ћемо моћи да израчунамо капацитивност између свих електрода у низу капацитивности, односно матрице капацитивности. Симетрична квадратна матрица дефинише однос између напона и наелектрисања примењеног на све електроде у систему. За систем који се састоји од н електрода и уземљења, матрица је:

Ове дијагоналне и не-дијагоналне термине аутоматски израчунава софтвер. Овај део садржаја биће детаљније описан у наредним објавама на блогу.

резиме

Проучавали смо пример коришћења функције електростатичке симулације АЦ/ДЦ модула за решавање капацитивног уређаја са екраном осетљивим на додир. Иако је геометрија поједностављена за потребе презентације, описане технике се могу применити и на сложеније структуре.

Приликом решавања овог типа модела коначних елемената веома је важно проучавање конвергенције тражене физичке величине (у овом случају се најчешће ради о капацитивности у односу на пречишћавање мреже). Функција адаптивног прецизирања мреже у великој мери побољшава аутоматизацију корака верификације модела.

Када решавате тако велике моделе, можете користити и дистрибуирани паралелни меморијски решавач да бисте добили брже време решења. Наравно, функција ЦОМСОЛ Мултипхисицс-а и његовог АЦ/ДЦ модула није ограничена на увод у чланак, можете га користити за постизање више функција. Ако желите да сазнате више, контактирајте нас.

Поново штампано уз овлашћење са хттп://цн.цомсол.цом/блогс/, оригинални аутор Валтер Фреи.