Simulationsanalyse des kapazitiven Touchscreens

Die Touchscreen-Technologie wird in Mobiltelefonen, E-Book-Readern, Computern und sogar in Unterhaltungselektronikprodukten wie Uhren verwendet. Bei einer großen Anzahl von Touchscreens wird eine Form der kapazitiven Abtastung verwendet. Lassen Sie's einen Blick darauf werfen, wie das AC/DC-Modul von COMSOL Multiphysics verwendet wird, um diese Art von kapazitiven Sensoren zu analysieren.

Einführung in die kapazitive Sensorik

Für kapazitive Sensoren, wie sie in Touchscreen-Geräten verwendet werden, enthalten sie eine große Anzahl leitfähiger Elektroden, die in transparente dielektrische Materialien (wie Glas oder sogar Saphir-Bildschirme) eingebettet sind. Die Elektroden selbst sind sehr dünn, aus fast vollständig transparentem Material und für das bloße Auge unsichtbar.

Lassen Sie's mit einer sehr einfachen Struktur beginnen, die zwei Elektrodenanordnungen umfasst, die sich in einem 90°-Winkel schneiden, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Bitte beachten Sie, dass der eigentliche Touchscreen komplizierter ist als das, was wir hier gesehen haben, aber die Simulationsfähigkeiten sind im Wesentlichen die gleichen.

Vereinfachte schematische Darstellung der Kernkomponenten des kapazitiven Touchscreen-Sensors (nicht maßstabsgetreu)

Wenn zwischen zwei oder mehreren Elektroden eine Spannungsdifferenz angelegt wird, wird ein elektrostatisches Feld erzeugt. Obwohl das elektrostatische Feld zwischen den Elektroden und der Umgebung der Elektroden am stärksten ist, erstreckt es sich noch eine gewisse Distanz nach außen. Nähert sich ein leitfähiges Objekt (zB ein Finger) diesem Bereich, ändert sich das elektrische Feld, so dass die Änderung der kombinierten Kapazität zwischen den beiden aktiven Elektroden erfasst werden kann. Durch diese Kapazitätsdifferenz erfassen wir die Position des Fingers, der den Bildschirm berührt.

Wenn zwischen einigen der Elektroden eine Potentialdifferenz angelegt wird, können die anderen Elektroden einzeln elektrisch isoliert werden oder als Ganzes elektrisch verbunden werden, jedoch immer noch in einem elektrisch isolierten Zustand. Daher können sie ein konstantes, aber unbekanntes Potenzial haben.

Die korrekte Simulation dieser Elektroden, umgebenden Metallhüllen und anderer dielektrischer Objekte ist der Schlüssel zur Berechnung von Kapazitätsänderungen. Lassen Sie's einen Blick darauf werfen, wie Sie die Funktion des AC/DC-Moduls nutzen können, um dies zu erreichen.

Simulieren Sie den kapazitiven Sensor in einer Uhr

Für ein so relativ kleines Gerät können wir die gesamte Struktur simulieren; die Größe des Sensors beträgt nur 20 * 30 mm und der Abstand zwischen den beiden Elektroden beträgt 1 mm. Bei größeren Touchscreens ist es sinnvoller, nur einen kleinen Bereich des gesamten Bildschirms zu berücksichtigen.

Kapazitiver Sensor eingebettet in das Glaszifferblatt (transparent). Das Armband und das Etui dienen nur zu Visualisierungszwecken.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, ist die Simulationsdomäne ein zylindrischer Bereich. Dieser Bereich enthält den Glasbildschirm, die Finger und die Luft um die Uhr. Wir haben Grund zu der Annahme, dass der Einfluss der Größe der umgebenden Luft mit zunehmender Größe rasch abnimmt.

Verwendete Randbedingungen

Hier wird die Grenze des Luftbereichs als Nullladungsbedingung eingestellt, um die Grenze als freien Raum zu simulieren. Außerdem werden zwei der parallelen Elektroden als Masse-Randbedingungen eingestellt und das Spannungsfeld auf Null festgelegt. Zwei der vertikalen Elektroden werden als Endrandbedingungen eingestellt, und die Spannung ist ein konstanter Wert. Die Randbedingungen der Klemmen berechnen automatisch die Kapazität. Alle anderen Grenzen werden durch Floating-Potential-Randbedingungen simuliert.

Visualisieren Sie das Finite-Elemente-Modell. Der Finger (grau), die elektrische Abschirmung (orange) und alle nicht erregten Elektroden (rot und grün) werden durch die schwebende Potentialrandbedingung simuliert. An die beiden Elektroden (weiß und schwarz) wird eine Potentialdifferenz angelegt. Ein Teil des Zifferblatts (Cyan) ist verdeckt. Alle anderen Oberflächen verwenden elektrische Isolationsrandbedingungen (blau). Die Luft und das Zifferblatt sind volumenmaschig. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Teil der Oberfläche des Gitters dargestellt.

Die Floating-Potential-Randbedingung wird verwendet, um einen Satz von Oberflächen darzustellen, auf denen Ladung frei umverteilt werden kann. Der Zweck der Einstellung besteht darin, die Grenze eines Objekts mit konstantem, aber unbekanntem Potenzial zu simulieren. Dies ist das Ergebnis des Anlegens eines externen elektrostatischen Felds.

Diese Art von Floating-Potential-Randbedingung wird auf mehreren Oberflächen verwendet, beispielsweise auf der Unterseite einer Uhr, die die elektrische Abschirmung unter dem Glasgehäuse darstellt. Die Elektroden, die derzeit nicht erregt sind, sind Teil einer einzigen Floating-Potential-Randbedingung (vorausgesetzt, alle Elektroden sind elektrisch miteinander verbunden). Beachten Sie, dass die Option der schwebenden Potenzialgruppe verwendet werden kann, um jeder physikalisch unabhängigen Grenze zu ermöglichen, auf eine andere konstante Spannung zu schweben. Es ist auch möglich, Elektroden beliebiger Kombination in derselben Gruppe zusammenzufassen, um sie elektrisch miteinander zu verbinden.

Die Fingergrenze (sofern im Modell enthalten) verwendet auch die Randbedingung des schwebenden Potentials. Es wird davon ausgegangen, dass der menschliche Körper gegenüber Luft und dielektrischen Schichten ein relativ guter Leiter ist.

Verwendete Materialien

Hier kommen nur zwei unterschiedliche Materialien zum Einsatz. In den meisten Bereichen werden voreingestellte Luftmaterialien verwendet, und die Dielektrizitätskonstante ist auf 1 eingestellt. Der Bildschirm verwendet ein voreingestelltes Quarzglasmaterial, um ihm eine höhere Dielektrizitätskonstante zu verleihen.

Obwohl der Bildschirm selbst eine Sandwichstruktur aus unterschiedlichen Materialien ist, können wir davon ausgehen, dass alle Schichten die gleichen Materialeigenschaften aufweisen. Daher ist es nicht erforderlich, jede Grenze zwischen ihnen explizit zu modellieren; alle Layer werden als eine einzelne Domäne behandelt.

Visualisieren Sie die Farbe des Logarithmus des elektrischen Feldwertes. Da der Finger als schwebendes Potential angesehen wird, kann sein inneres elektrisches Feld ignoriert werden.

Exakte Lösung mit adaptiver Netzverfeinerung

Um genaue Ergebnisse zu erhalten, ist ein ausreichend verfeinertes Finite-Elemente-Gitter erforderlich, um die räumliche Variation des Spannungsfeldes zu analysieren. Obwohl wir vor den Berechnungen nicht wissen, wo die dramatischsten Änderungen im Spannungsfeld auftreten werden, können wir die Software selbst entscheiden lassen, wo durch adaptive Netzverfeinerung kleinere Gitterzellen benötigt werden.

Wir haben die adaptive Netzverfeinerung mehrmals verwendet, und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Diese Ergebnisse wurden auf einem Computer erhalten, der mit einem 3,7 GHz Achtkern-Xeon-Prozessor und 64 GB Arbeitsspeicher ausgestattet war:

Aus der obigen Tabelle kann abgeleitet werden, dass wir mit einem sehr groben Netz beginnen und dann die adaptive Netzverfeinerung verwenden können, um einen genaueren Kapazitätswert zu erhalten. Dies erhöht jedoch die Speicherauslastung und verlängert die Lösungszeit. Der Unterschied im Kapazitätsprozentsatz gilt für das feinste Netz.

Berechnen Sie die Kapazitätsmatrix

Bisher haben wir uns nur auf die Berechnung der Kapazität zwischen den beiden Elektroden im Array konzentriert. Tatsächlich hoffen wir, die Kapazität zwischen allen Elektroden im Kapazitätsarray, also die Kapazitätsmatrix, berechnen zu können. Die symmetrische quadratische Matrix definiert die Beziehung zwischen der an alle Elektroden im System angelegten Spannung und Ladung. Für ein System aus n Elektroden und Masse lautet die Matrix:

Diese diagonalen und nicht-diagonalen Terme werden automatisch von der Software berechnet. Dieser Teil des Inhalts wird in nachfolgenden Blogbeiträgen genauer beschrieben.

Zusammenfassung

Wir haben ein Beispiel für die Verwendung der elektrostatischen Simulationsfunktion des AC/DC-Moduls untersucht, um ein kapazitives Touchscreen-Gerät zu lösen. Obwohl die Geometrie zu Darstellungszwecken vereinfacht ist, können die beschriebenen Techniken auch auf komplexere Strukturen angewendet werden.

Bei der Lösung dieser Art von Finite-Elemente-Modell ist es sehr wichtig, die Konvergenz der erforderlichen physikalischen Größe zu untersuchen (in diesem Fall ist dies normalerweise der Fall der Kapazität relativ zur Netzverfeinerung). Die adaptive Netzverfeinerungsfunktion verbessert die Automatisierung des Modellverifikationsschritts erheblich.

Wenn Sie so große Modelle lösen, können Sie auch den Solver für verteilten parallelen Speicher verwenden, um eine schnellere Lösungszeit zu erzielen. Natürlich ist die Funktion von COMSOL Multiphysics und seinem AC/DC-Modul nicht auf die Einführung im Artikel beschränkt, Sie können es verwenden, um weitere Funktionen zu erreichen. Wenn Sie mehr wissen möchten, kontaktieren Sie uns bitte.

Nachdruck mit Genehmigung von http://cn.comsol.com/blogs/, Originalautor Walter Frei.