Anàlisi de simulació de pantalla tàctil capacitiva

La tecnologia de pantalla tàctil s'utilitza en telèfons mòbils, lectors de llibres electrònics, ordinadors i fins i tot productes electrònics de consum, com ara rellotges. S'utilitza alguna forma de detecció capacitiva en un gran nombre de pantalles tàctils. Vegem com utilitzar el mòdul AC/DC de COMSOL Multiphysics per analitzar aquest tipus de sensor capacitiu.

Introducció a la detecció capacitiva

Per als sensors capacitius com els que s'utilitzen en dispositius de pantalla tàctil, contenen un gran nombre d'elèctrodes conductors incrustats en materials dielèctrics transparents (com ara pantalles de vidre o fins i tot de safir). Els elèctrodes en si són molt prims, fets de material gairebé completament transparent i invisibles a simple vista.

Comencem amb una estructura molt bàsica, que inclou dues matrius d'elèctrodes que es tallen en un angle de 90 graus, tal com es mostra a la figura següent.

Tingueu en compte que la pantalla tàctil real és més complicada que la que hem vist aquí, però les habilitats de simulació són bàsicament les mateixes.

Diagrama esquemàtic simplificat dels components bàsics del sensor de pantalla tàctil capacitiva (no a escala)

Quan s'aplica una diferència de tensió entre dos o més elèctrodes qualsevol, es genera un camp electrostàtic. Tot i que el camp electrostàtic és més fort entre els elèctrodes i l'àrea que envolta els elèctrodes, encara s'estén una certa distància cap a l'exterior. Quan un objecte conductor (com un dit) s'acosta a aquesta zona, el camp elèctric canviarà, de manera que es pot detectar el canvi en la capacitat combinada entre els dos elèctrodes actius. És a través d'aquesta diferència de capacitat que sentim la posició del dit que toca la pantalla.

Quan s'aplica una diferència de potencial entre alguns dels elèctrodes, els altres elèctrodes poden estar aïllats elèctricament individualment, o connectats elèctricament com un tot, però encara en un estat aïllat elèctricament. Per tant, poden tenir un potencial constant però desconegut.

La simulació correcta d'aquests elèctrodes, carcassa metàl·lica circumdant i altres objectes dielèctrics és la clau per calcular els canvis de capacitat. Fem una ullada a com utilitzar la funció del mòdul AC/DC per aconseguir-ho.

Simula el sensor capacitiu en un rellotge

Per a un dispositiu tan relativament petit, podem simular tota l'estructura; la mida del sensor és de només 20 * 30 mm i la distància entre els dos elèctrodes és d'1 mm. Per a pantalles tàctils més grans, és més raonable tenir en compte només una petita àrea de tota la pantalla.

Sensor capacitiu incrustat al dial de vidre (transparent). La corretja i la funda només tenen finalitats de visualització.

Com es mostra a la figura següent, el domini de simulació és una àrea cilíndrica. Aquesta àrea conté la pantalla de vidre, els dits i l'aire que envolta el rellotge. Tenim raons per creure que la influència de la mida de l'aire circumdant disminuirà ràpidament a mesura que augmenta la mida.

Condicions de contorn utilitzades

Aquí, el límit del domini aeri s'estableix com una condició de càrrega zero per simular el límit com un espai lliure. A més, dos dels elèctrodes paral·lels s'estableixen com a condicions de límit de terra i el camp de tensió es fixa a zero. Dos dels elèctrodes verticals s'estableixen com a condicions de límit terminal i la tensió és un valor constant. Les condicions de límit terminal calcularan automàticament la capacitat. Tots els altres límits es simulen mitjançant condicions de límit potencials flotants.

Visualitzar el model d'elements finits. El dit (gris), l'escut elèctric (taronja) i tots els elèctrodes no excitats (vermell i verd) es simulen per la condició de límit de potencial flotant. S'aplica una diferència de potencial als dos elèctrodes (blanc i negre). Una part del dial (cian) està amagada. La resta de superfícies utilitzen condicions de límit d'aïllament elèctric (blau). L'aire i el dial són de malla de volum. Per motius de claredat, només es mostra una part de la superfície de la quadrícula.

La condició de límit potencial flotant s'utilitza per representar un conjunt de superfícies sobre les quals la càrrega es pot redistribuir lliurement. El propòsit de l'escenari és simular el límit d'un objecte amb un potencial constant però desconegut. Aquest és el resultat de l'aplicació d'un camp electrostàtic extern.

Aquest tipus de condició de límit potencial flotant s'utilitza en diversos conjunts de superfícies, com ara la superfície inferior d'un rellotge, que representa el blindatge elèctric sota la caixa de vidre. Els elèctrodes que no estan excitats actualment formen part d'una única condició de límit de potencial flotant (suposant que tots els elèctrodes estan connectats elèctricament entre si). Tingueu en compte que l'opció de grup de potencial flotant es pot utilitzar per permetre que cada límit físicament independent floti a una tensió constant diferent. També és possible combinar elèctrodes de qualsevol combinació en el mateix grup per connectar-los elèctricament.

El límit del dit (quan s'inclou al model) també utilitza la condició de límit potencial flotant. Se suposa que el cos humà és un conductor relativament bo en relació amb les capes d'aire i dielèctrics.

Materials utilitzats

Aquí només s'utilitzen dos materials diferents. A la majoria de dominis s'utilitzen materials d'aire preestablerts i la constant dielèctrica s'estableix en 1. La pantalla utilitza un material de vidre de quars preestablert per donar-li una constant dielèctrica més alta.

Tot i que la pantalla en si és una estructura sandvitx composta per diferents materials, podem suposar que totes les capes tenen les mateixes propietats del material. Per tant, no cal modelar explícitament tots els límits entre ells; totes les capes es tracten com un únic domini.

Visualitza el color del logaritme del valor del camp elèctric. Com que el dit es veu com un potencial flotant, el seu camp elèctric intern es pot ignorar.

Solució exacta obtinguda mitjançant el refinament adaptatiu de la malla

Per obtenir resultats precisos, és necessari disposar d'una quadrícula d'elements finits prou refinada per analitzar la variació espacial del camp de tensió. Tot i que no sabem on apareixeran els canvis més dramàtics en el camp de tensió abans dels càlculs, podem deixar que el programari decideixi per si mateix on es necessiten cèl·lules de graella més petites mitjançant el refinament adaptatiu de la malla.

Hem utilitzat el refinament de malla adaptativa diverses vegades i els resultats es mostren a la taula següent. Aquests resultats es van obtenir en un ordinador configurat amb un processador Xeon de vuit nuclis de 3,7 GHz i 64 GB de memòria:

Es pot deduir de la taula anterior que podem començar amb una malla molt gruixuda i després utilitzar el refinament de la malla adaptativa per obtenir un valor de capacitat més precís. Tanmateix, fer-ho augmentarà l'ús de memòria i allargarà el temps de solució. La diferència en el percentatge de capacitat és per a la malla més fina.

Calcula la matriu de capacitat

Fins ara, només ens hem centrat en el càlcul de la capacitat entre els dos elèctrodes de la matriu. De fet, esperem poder calcular la capacitat entre tots els elèctrodes de la matriu de capacitat, és a dir, la matriu de capacitat. La matriu quadrada simètrica defineix la relació entre el voltatge i la càrrega aplicada a tots els elèctrodes del sistema. Per a un sistema format per n elèctrodes i una terra, la matriu és:

Aquests termes diagonals i no diagonals els calcula automàticament el programari. Aquesta part del contingut es descriurà amb més detall a les entrades posteriors del bloc.

resum

Hem estudiat un exemple d'ús de la funció de simulació electrostàtica del mòdul AC/DC per resoldre un dispositiu de pantalla tàctil capacitiva. Encara que la geometria es simplifica per a la presentació, les tècniques descrites també es poden aplicar a estructures més complexes.

A l'hora de resoldre aquest tipus de model d'elements finits, és molt important estudiar la convergència de la magnitud física requerida (en aquest cas, sol ser el cas de la capacitat relativa al refinament de la malla). La funció de refinament de malla adaptativa millora molt l'automatització del pas de verificació del model.

Quan resoleu models tan grans, també podeu utilitzar el solucionador de memòria en paral·lel distribuït per obtenir un temps de solució més ràpid. Per descomptat, la funció de COMSOL Multiphysics i el seu mòdul AC/DC no es limita a la introducció de l'article, podeu utilitzar-la per aconseguir més funcions. Si vols saber-ne més, posa't en contacte amb nosaltres.

Reimprès amb autorització de http://cn.comsol.com/blogs/, autor original Walter Frei.