Analisi di simulazione del touch screen capacitivo

La tecnologia touch screen viene utilizzata nei telefoni cellulari, nei lettori di e-book, nei computer e persino nei prodotti elettronici di consumo come gli orologi. Una qualche forma di rilevamento capacitivo viene utilizzata in un gran numero di touch screen. Lascia che's dia un'occhiata a come utilizzare il modulo AC/DC di COMSOL Multiphysics per analizzare questo tipo di sensore capacitivo.

Introduzione al rilevamento capacitivo

Per i sensori capacitivi come quelli utilizzati nei dispositivi touch screen, contengono un gran numero di elettrodi conduttivi incorporati in materiali dielettrici trasparenti (come schermi di vetro o persino zaffiro). Gli elettrodi stessi sono molto sottili, realizzati in materiale quasi completamente trasparente e invisibili ad occhio nudo.

Lascia che's inizi con una struttura molto semplice, che include due array di elettrodi che si intersecano con un angolo di 90 °, come mostrato nella figura seguente.

Tieni presente che il vero touch screen è più complicato di quello che abbiamo visto qui, ma le abilità di simulazione sono sostanzialmente le stesse.

Schema semplificato dei componenti principali del sensore touch screen capacitivo (non in scala)

Quando viene applicata una differenza di tensione tra due o più elettrodi, viene generato un campo elettrostatico. Sebbene il campo elettrostatico sia più forte tra gli elettrodi e l'area circostante gli elettrodi, si estende ancora per una certa distanza verso l'esterno. Quando un oggetto conduttivo (come un dito) si avvicina a quest'area, il campo elettrico cambierà, in modo da poter rilevare la variazione della capacità combinata tra i due elettrodi attivi. È attraverso questa differenza di capacità che percepiamo la posizione del dito che sta toccando lo schermo.

Quando viene applicata una differenza di potenziale tra alcuni degli elettrodi, gli altri elettrodi possono essere isolati elettricamente singolarmente o collegati elettricamente nel loro insieme, ma ancora in uno stato elettricamente isolato. Pertanto, possono avere un potenziale costante ma sconosciuto.

La corretta simulazione di questi elettrodi, dei gusci metallici circostanti e di altri oggetti dielettrici è la chiave per calcolare le variazioni di capacità. Lascia che's dia un'occhiata a come utilizzare la funzione del modulo AC/DC per ottenere ciò.

Simula il sensore capacitivo in un orologio

Per un dispositivo così piccolo, possiamo simulare l'intera struttura; la dimensione del sensore è di soli 20 * 30 mm e la distanza tra i due elettrodi è di 1 mm. Per i touch screen più grandi, è più ragionevole considerare solo una piccola area dell'intero schermo.

Sensore capacitivo incorporato nel quadrante in vetro (trasparente). Il cinturino e la custodia sono solo a scopo di visualizzazione.

Come mostrato nella figura seguente, il dominio di simulazione è un'area cilindrica. Quest'area contiene lo schermo di vetro, le dita e l'aria intorno all'orologio. Abbiamo motivo di credere che l'influenza della dimensione dell'aria circostante diminuirà rapidamente all'aumentare della dimensione.

Condizioni al contorno utilizzate

Qui, il confine del dominio dell'aria è impostato come condizione di carica zero per simulare il confine come uno spazio libero. Inoltre, due degli elettrodi paralleli sono impostati come condizioni al contorno di terra e il campo di tensione è fissato a zero. Due degli elettrodi verticali sono impostati come condizioni al contorno terminali e la tensione è un valore costante. Le condizioni al contorno del terminale calcoleranno automaticamente la capacità. Tutti gli altri limiti sono simulati da potenziali condizioni al contorno fluttuanti.

Visualizza il modello agli elementi finiti. Il dito (grigio), lo schermo elettrico (arancione) e tutti gli elettrodi non eccitati (rosso e verde) sono simulati dalla condizione al contorno del potenziale fluttuante. Ai due elettrodi (bianco e nero) viene applicata una differenza di potenziale. Parte del quadrante (ciano) è nascosta. Tutte le altre superfici utilizzano condizioni limite di isolamento elettrico (blu). L'aria e il quadrante sono a maglie di volume. Per motivi di chiarezza, viene mostrata solo una parte della superficie della griglia.

La condizione al contorno del potenziale flottante viene utilizzata per rappresentare un insieme di superfici su cui la carica può essere ridistribuita liberamente. Lo scopo dell'ambientazione è simulare il confine di un oggetto con un potenziale costante ma sconosciuto. Questo è il risultato dell'applicazione di un campo elettrostatico esterno.

Questo tipo di condizione al contorno del potenziale fluttuante viene utilizzato su diversi insiemi di superfici, come la superficie inferiore di un orologio, che rappresenta la schermatura elettrica sotto la cassa di vetro. Gli elettrodi che non sono attualmente eccitati fanno parte di un'unica condizione al contorno di potenziale flottante (assumendo che tutti gli elettrodi siano collegati elettricamente tra loro). Si noti che l'opzione del gruppo di potenziale flottante può essere utilizzata per consentire a ciascun confine fisicamente indipendente di fluttuare a una tensione costante diversa. È anche possibile combinare elettrodi di qualsiasi combinazione nello stesso gruppo per collegarli elettricamente tra loro.

Il limite del dito (se incluso nel modello) utilizza anche la condizione del limite potenziale mobile. Si presume che il corpo umano sia un conduttore relativamente buono rispetto all'aria e agli strati dielettrici.

Materiali usati

Qui vengono utilizzati solo due materiali diversi. Nella maggior parte dei domini vengono utilizzati materiali ad aria preimpostati e la costante dielettrica è impostata su 1. Lo schermo utilizza un materiale di vetro al quarzo preimpostato per conferire una costante dielettrica più elevata.

Sebbene lo schermo stesso sia una struttura a sandwich composta da materiali diversi, possiamo presumere che tutti gli strati abbiano le stesse proprietà del materiale. Pertanto, non è necessario modellare esplicitamente ogni confine tra di loro; tutti i livelli sono trattati come un singolo dominio.

Visualizza il colore del logaritmo del valore del campo elettrico. Poiché il dito è visto come un potenziale fluttuante, il suo campo elettrico interno può essere ignorato.

Soluzione esatta ottenuta utilizzando il perfezionamento della mesh adattiva

Per ottenere risultati accurati è necessario disporre di una griglia ad elementi finiti sufficientemente raffinata per analizzare la variazione spaziale del campo di tensione. Anche se non'non sappiamo dove appariranno i cambiamenti più drammatici nel campo di tensione prima dei calcoli, possiamo lasciare che il software decida da solo dove sono necessarie celle della griglia più piccole attraverso il perfezionamento della mesh adattiva.

Abbiamo utilizzato più volte il perfezionamento della mesh adattiva e i risultati sono mostrati nella tabella seguente. Questi risultati sono stati ottenuti su un computer configurato con un processore Xeon a otto core da 3,7 GHz e 64 GB di memoria:

Si può dedurre dalla tabella sopra che possiamo iniziare con una mesh molto grossolana e quindi utilizzare il perfezionamento della mesh adattiva per ottenere un valore di capacità più accurato. Tuttavia, ciò aumenterà l'utilizzo della memoria e prolungherà i tempi di soluzione. La differenza nella percentuale di capacità è per la maglia più fine.

Calcola la matrice di capacità

Finora ci siamo concentrati solo sul calcolo della capacità tra i due elettrodi nell'array. In effetti, speriamo di poter calcolare la capacità tra tutti gli elettrodi nell'array di capacità, cioè la matrice di capacità. La matrice quadrata simmetrica definisce la relazione tra la tensione e la carica applicata a tutti gli elettrodi del sistema. Per un sistema composto da n elettrodi e una massa, la matrice è:

Questi termini diagonali e non diagonali vengono calcolati automaticamente dal software. Questa parte del contenuto verrà descritta più dettagliatamente nei successivi post del blog.

riepilogo

Abbiamo studiato un esempio di utilizzo della funzione di simulazione elettrostatica del modulo AC/DC per risolvere un dispositivo touch screen capacitivo. Sebbene la geometria sia semplificata a scopo di presentazione, le tecniche descritte possono essere applicate anche a strutture più complesse.

Quando si risolve questo tipo di modello agli elementi finiti, è molto importante studiare la convergenza della quantità fisica richiesta (in questo caso, di solito è il caso della capacità relativa al raffinamento della mesh). La funzione di affinamento della mesh adattiva migliora notevolmente l'automazione della fase di verifica del modello.

Quando si risolvono modelli così grandi, è anche possibile utilizzare il risolutore di memoria parallela distribuita per ottenere tempi di soluzione più rapidi. Naturalmente, la funzione di COMSOL Multiphysics e del suo modulo AC/DC non si limita all'introduzione nell'articolo, è possibile utilizzarla per ottenere più funzioni. Se vuoi saperne di più, contattaci.

Ristampato con l'autorizzazione di http://cn.comsol.com/blogs/, autore originale Walter Frei.