Simuleringsanalys av kapacitiv pekskärm

Pekskärmsteknik används i mobiltelefoner, e-bokläsare, datorer och till och med elektroniska konsumentprodukter som klockor. Någon form av kapacitiv avkänning används i ett stort antal pekskärmar. Låt oss ta en titt på hur du använder AC / DC-modulen i COMSOL Multiphysics för att analysera denna typ av kapacitiv sensor.

Introduktion till kapacitiv avkänning

För kapacitiva sensorer som de som används i pekskärmsenheter innehåller de ett stort antal ledande elektroder inbäddade i transparenta dielektriska material (som glas eller till och med safirskärmar). Elektroderna själva är mycket tunna, gjorda av nästan helt transparent material och osynliga för blotta ögat.

Låt oss börja med en mycket grundläggande struktur, som innehåller två elektrodmatriser som skär i 90° vinkel, som visas i figuren nedan.

Observera att den faktiska pekskärmen är mer komplicerad än vad vi har sett här, men simuleringsfärdigheterna är i princip desamma.

Förenklat schematiskt diagram över kärnkomponenterna i den kapacitiva pekskärmssensorn (ej skalenlig)

När en spänningsskillnad appliceras mellan två eller flera elektroder genereras ett elektrostatiskt fält. Även om det elektrostatiska fältet är starkast mellan elektroderna och området kring elektroderna, sträcker det sig fortfarande ett visst avstånd utåt. När ett ledande objekt (t.ex. ett finger) närmar sig detta område kommer det elektriska fältet att förändras, så att förändringen i den kombinerade kapacitansen mellan de två aktiva elektroderna kan detekteras. Det är genom denna kapacitansskillnad som vi känner av fingrets position som vidrör skärmen.

När en potentiell skillnad appliceras mellan några av elektroderna kan de andra elektroderna vara elektriskt isolerade individuellt eller elektriskt anslutna som helhet, men fortfarande i ett elektriskt isolerat tillstånd. Därför kan de ha en konstant men okänd potential.

Korrekt simulering av dessa elektroder, omgivande metallskal och andra dielektriska objekt är nyckeln till att beräkna kapacitansförändringar. Låt oss ta en titt på hur du använder funktionen hos AC / DC-modulen för att uppnå detta.

Simulera kapacitiv sensor i en klocka

För en så relativt liten enhet kan vi simulera hela strukturen; sensorns storlek är endast 20 * 30 mm och avståndet mellan de två elektroderna är 1 mm. För större pekskärmar är det mer rimligt att bara överväga ett litet område på hela skärmen.

Kapacitiv sensor inbäddad i glasratten (transparent). Remmen och fodralet är endast för visualiseringsändamål.

Som visas i figuren nedan är simuleringsdomänen ett cylindriskt område. Det här området innehåller glasskärmen, fingrarna och luften runt klockan. Vi har anledning att tro att påverkan av storleken på den omgivande luften snabbt kommer att minska när storleken ökar.

Gränsvillkor som används

Här anges luftdomänens gräns som ett nollladdningsvillkor för att simulera gränsen som ett ledigt utrymme. Dessutom ställs två av de parallella elektroderna in som markgränsförhållanden, och spänningsfältet är fixerat vid noll. Två av de vertikala elektroderna ställs in som terminalgränsförhållanden, och spänningen är ett konstant värde. Terminalgränsvillkoren beräknar automatiskt kapacitansen. Alla andra gränser simuleras av flytande potentiella gränsförhållanden.

Visualisera den finita elementmodellen. Fingret (grått), den elektriska skölden (orange) och alla oupphörda elektroder (röda och gröna) simuleras av det flytande potentiella gränsförhållandet. En potentiell skillnad appliceras på de två elektroderna (vita och svarta). En del av ratten (cyan) är dold. Alla andra ytor använder elektriska isoleringsgränsförhållanden (blå). Luften och urtavlan är volymnätade. För tydlighetens skull visas endast en del av rutnätets yta.

Det flytande potentiella gränsförhållandet används för att representera en uppsättning ytor på vilka laddning kan omfördelas fritt. Syftet med inställningen är att simulera gränsen för ett objekt med en konstant men okänd potential. Detta är resultatet av att applicera ett externt elektrostatiskt fält.

Denna typ av flytande potentiellt gränsförhållande används på flera uppsättningar ytor, till exempel bottenytan på en klocka, som representerar den elektriska avskärmningen under glashöljet. Elektroderna som för närvarande inte är upphetsade är en del av ett enda flytande potentiellt gränstillstånd (förutsatt att alla elektroder är elektriskt anslutna tillsammans). Observera att alternativet flytande potentiell grupp kan användas för att låta varje fysiskt oberoende gräns flyta till en annan konstant spänning. Det är också möjligt att kombinera elektroder av vilken kombination som helst i samma grupp för att elektriskt ansluta dem tillsammans.

Fingergränsen (när den ingår i modellen) använder också det flytande potentiella gräns villkoret. Det antas att människokroppen är en relativt bra ledare i förhållande till luft- och dielektriska lager.

Material som används

Här används endast två olika material. Förinställda luftmaterial används i de flesta domäner, och den dielektriska konstanten är inställd på 1. Skärmen använder ett förinställt kvartsglasmaterial för att ge det en högre dielektrisk konstant.

Även om skärmen i sig är en smörgåsstruktur som består av olika material, kan vi anta att alla lager har samma materialegenskaper. Därför finns det inget behov av att uttryckligen modellera varje gräns mellan dem. Alla lager behandlas som en enda domän.

Visualisera färgen på logaritmen för det elektriska fältvärdet. Eftersom fingret ses som en flytande potential kan dess interna elektriska fält ignoreras.

Exakt lösning erhållen med adaptiv nätförfining

För att få exakta resultat är det nödvändigt att ha ett tillräckligt raffinerat finita elementnät för att analysera spänningsfältets rumsliga variation. Även om vi inte vet var de mest dramatiska förändringarna i spänningsfältet kommer att visas före beräkningar, kan vi låta programvaran bestämma själv var mindre rutnätsceller behövs genom adaptiv nätförfining.

Vi använde adaptiv nätförfining flera gånger, och resultaten visas i tabellen nedan. Dessa resultat erhölls på en dator konfigurerad med en 3,7 GHz Xeon-processor med åtta kärnor och 64 GB minne:

Det kan härledas från ovanstående tabell att vi kan börja med ett mycket grovt nät och sedan använda adaptiv nätförfining för att få ett mer exakt kapacitansvärde. Detta ökar dock minnesanvändningen och förlänger lösningstiden. Skillnaden i kapacitansprocent är för det finaste nätet.

Beräkna kapacitansmatrisen

Hittills har vi bara fokuserat på beräkningen av kapacitansen mellan de två elektroderna i matrisen. Faktum är att vi hoppas kunna beräkna kapacitansen mellan alla elektroder i kapacitansmatrisen, det vill säga kapacitansmatrisen. Den symmetriska kvadratiska matrisen definierar förhållandet mellan spänning och laddning som appliceras på alla elektroder i systemet. För ett system som består av n elektroder och en jord är matrisen:

Dessa diagonala och icke-diagonala termer beräknas automatiskt av programvaran. Denna del av innehållet kommer att beskrivas mer detaljerat i efterföljande blogginlägg.

sammanfattning

Vi studerade ett exempel på att använda ac/DC-modulens elektrostatiska simuleringsfunktion för att lösa en kapacitiv pekskärmsenhet. Även om geometrin förenklas för presentationsändamål kan de beskrivna teknikerna också tillämpas på mer komplexa strukturer.

När man löser denna typ av finita elementmodell är det mycket viktigt att studera konvergensen av den nödvändiga fysiska kvantiteten (i det här fallet är det vanligtvis fallet med kapacitans i förhållande till nätförfining). Den adaptiva nätförfiningsfunktionen förbättrar automatiseringen av modellverifieringssteget avsevärt.

När du löser så stora modeller kan du också använda den distribuerade parallellminneslösaren för att få snabbare lösningstid. Naturligtvis är funktionen hos COMSOL Multiphysics och dess AC / DC-modul inte begränsad till introduktionen i artikeln, du kan använda den för att uppnå fler funktioner. Om du vill veta mer, vänligen kontakta oss.

Omtryckt med tillstånd från http://cn.comsol.com/blogs/, originalförfattare Walter Frei.