Kapasitif Dokunmatik Ekranın Simülasyon Analizi

Dokunmatik ekran teknolojisi cep telefonlarında, e-kitap okuyucularda, bilgisayarlarda ve hatta saat gibi tüketici elektroniği ürünlerinde kullanılmaktadır. Bir tür kapasitif algılama, çok sayıda dokunmatik ekranda kullanılır.' bu tip kapasitif sensörü analiz etmek için COMSOL Multiphysics'in AC/DC modülünün nasıl kullanılacağına bir göz atalım.

Kapasitif Algılamaya Giriş

Dokunmatik ekranlı cihazlarda kullanılanlar gibi kapasitif sensörler için, şeffaf dielektrik malzemelere (cam ve hatta safir ekranlar gibi) gömülü çok sayıda iletken elektrot içerirler. Elektrotların kendileri çok incedir, neredeyse tamamen şeffaf malzemeden yapılmıştır ve çıplak gözle görülemez.

& #39; aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, 90°'lik bir açıyla kesişen iki elektrot dizisini içeren çok temel bir yapı ile başlasın.

Lütfen gerçek dokunmatik ekranın burada gördüklerimizden daha karmaşık olduğunu, ancak simülasyon becerilerinin temelde aynı olduğunu unutmayın.

Kapasitif dokunmatik ekran sensöründeki temel bileşenlerin basitleştirilmiş şematik diyagramı (ölçekli değil)

Herhangi iki veya daha fazla elektrot arasında bir voltaj farkı uygulandığında, bir elektrostatik alan üretilir. Elektrostatik alan, elektrotlar ile elektrotları çevreleyen alan arasında en güçlü olmasına rağmen, yine de dışa doğru belirli bir mesafe uzanır. İletken bir nesne (parmak gibi) bu alana yaklaştığında, elektrik alanı değişecek, böylece iki aktif elektrot arasındaki birleşik kapasitanstaki değişiklik saptanabilecektir. Bu kapasitans farkı sayesinde ekrana dokunan parmağın konumunu algılarız.

Elektrotların bazıları arasına bir potansiyel farkı uygulandığında, diğer elektrotlar ayrı ayrı elektriksel olarak yalıtılabilir veya bir bütün olarak elektriksel olarak bağlanabilir, ancak yine de elektriksel olarak yalıtılmış bir durumda olabilir. Bu nedenle, sabit ama bilinmeyen bir potansiyele sahip olabilirler.

Bu elektrotların, çevreleyen metal kabukların ve diğer dielektrik nesnelerin doğru simülasyonu, kapasitans değişikliklerini hesaplamanın anahtarıdır.'s bunu başarmak için AC/DC modülünün işlevinin nasıl kullanılacağına bir göz atalım.

Bir saatte kapasitif sensörü simüle edin

Nispeten küçük bir cihaz için tüm yapıyı simüle edebiliriz; sensörün boyutu sadece 20*30 mm'dir ve iki elektrot arasındaki mesafe 1 mm'dir. Daha büyük dokunmatik ekranlar için, tüm ekranın yalnızca küçük bir alanını düşünmek daha mantıklıdır.

Cam kadrana gömülü kapasitif sensör (şeffaf). Kayış ve kasa yalnızca görselleştirme amaçlıdır.

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, simülasyon alanı silindirik bir alandır. Bu alan cam ekranı, parmakları ve saatin etrafındaki havayı içerir. Boyut arttıkça çevreleyen havanın boyutunun etkisinin hızla azalacağına inanmak için nedenlerimiz var.

Kullanılan sınır koşulları

Burada, hava alanının sınırı, sınırı boş alan olarak simüle etmek için sıfır şarj koşulu olarak ayarlanır. Ek olarak, paralel elektrotlardan ikisi toprak sınır koşulları olarak ayarlanır ve voltaj alanı sıfıra sabitlenir. Dikey elektrotlardan ikisi, terminal sınır koşulları olarak ayarlanır ve voltaj sabit bir değerdir. Terminal sınır koşulları kapasitansı otomatik olarak hesaplayacaktır. Diğer tüm sınırlar, yüzen potansiyel sınır koşulları ile simüle edilir.

Sonlu eleman modelini görselleştirin. Parmak (gri), elektrik kalkanı (turuncu) ve uyarılmamış tüm elektrotlar (kırmızı ve yeşil), kayan potansiyel sınır koşuluyla simüle edilir. İki elektrota (beyaz ve siyah) bir potansiyel farkı uygulanır. Kadranın bir kısmı (camgöbeği) gizlenmiştir. Diğer tüm yüzeyler, elektrik yalıtımı sınır koşullarını (mavi) kullanır. Hava ve kadran hacim ağlıdır. Anlaşılır olması için, ızgara yüzeyinin sadece bir kısmı gösterilmiştir.

Yüzen potansiyel sınır koşulu, yükün serbestçe yeniden dağıtılabileceği bir dizi yüzeyi temsil etmek için kullanılır. Ayarın amacı, sabit fakat bilinmeyen bir potansiyele sahip bir nesnenin sınırını simüle etmektir. Bu, harici bir elektrostatik alanın uygulanmasının sonucudur.

Bu tür kayan potansiyel sınır koşulu, cam kasanın altındaki elektrik kalkanını temsil eden bir saatin alt yüzeyi gibi çeşitli yüzeylerde kullanılır. Halihazırda uyarılmayan elektrotlar, tek bir kayan potansiyel sınır koşulunun parçasıdır (tüm elektrotların elektriksel olarak birbirine bağlı olduğu varsayılarak). Yüzer potansiyel grubu seçeneğinin, fiziksel olarak bağımsız her bir sınırın farklı bir sabit voltajda yüzmesine izin vermek için kullanılabileceğini unutmayın. Herhangi bir kombinasyonun elektrotlarını aynı grupta elektriksel olarak birbirine bağlamak için birleştirmek de mümkündür.

Parmak sınırı (modele dahil edildiğinde) ayrıca kayan potansiyel sınır koşulunu da kullanır. İnsan vücudunun hava ve dielektrik katmanlara göre nispeten iyi bir iletken olduğu varsayılmaktadır.

Kullanılan malzemeler

Burada sadece iki farklı malzeme kullanılmaktadır. Çoğu alanda önceden ayarlanmış hava malzemeleri kullanılır ve dielektrik sabiti 1'e ayarlanır. Ekran, daha yüksek bir dielektrik sabiti vermek için önceden ayarlanmış bir kuvars cam malzeme kullanır.

Ekranın kendisi farklı malzemelerden oluşan bir sandviç yapı olmasına rağmen, tüm katmanların aynı malzeme özelliklerine sahip olduğunu varsayabiliriz. Bu nedenle, aralarındaki her sınırı açıkça modellemeye gerek yoktur; tüm katmanlar tek bir etki alanı olarak kabul edilir.

Elektrik alan değerinin logaritmasının rengini gözünüzde canlandırın. Parmak yüzen bir potansiyel olarak görüldüğünden, iç elektrik alanı göz ardı edilebilir.

Uyarlanabilir ağ iyileştirmesi kullanılarak elde edilen kesin çözüm

Doğru sonuçlar elde etmek için, voltaj alanının uzaysal değişimini analiz etmek için yeterince rafine bir sonlu eleman ızgarasına sahip olmak gereklidir. Hesaplamalardan önce voltaj alanındaki en dramatik değişikliklerin nerede görüneceğini bilmesek de, uyarlamalı ağ iyileştirme yoluyla daha küçük ızgara hücrelerinin nerede gerekli olduğuna yazılımın kendi başına karar vermesine izin verebiliriz.

Uyarlanabilir ağ iyileştirmesini birkaç kez kullandık ve sonuçlar aşağıdaki tabloda gösterilmektedir. Bu sonuçlar, 3.7 GHz sekiz çekirdekli Xeon işlemci ve 64 GB bellekle yapılandırılmış bir bilgisayarda elde edildi:

Yukarıdaki tablodan, çok kaba bir ağ ile başlayabileceğimiz ve daha sonra daha doğru bir kapasitans değeri elde etmek için uyarlamalı ağ iyileştirme kullanabileceğimiz çıkarılabilir. Ancak bunu yapmak bellek kullanımını artıracak ve çözüm süresini uzatacaktır. Kapasitans yüzdesindeki fark, en iyi ağ içindir.

Kapasitans matrisini hesaplayın

Şimdiye kadar sadece dizideki iki elektrot arasındaki kapasitansın hesaplanmasına odaklandık. Aslında kapasitans dizisindeki, yani kapasitans matrisindeki tüm elektrotlar arasındaki kapasitansı hesaplayabileceğimizi umuyoruz. Simetrik kare matris, sistemdeki tüm elektrotlara uygulanan voltaj ve yük arasındaki ilişkiyi tanımlar. n elektrot ve topraktan oluşan bir sistem için matris:

Bu köşegen ve köşegen olmayan terimler yazılım tarafından otomatik olarak hesaplanır. İçeriğin bu kısmı sonraki blog yazılarında daha ayrıntılı olarak açıklanacaktır.

Özet

Kapasitif dokunmatik ekranlı bir cihazı çözmek için AC/DC modülünün elektrostatik simülasyon işlevinin kullanıldığı bir örneği inceledik. Geometri sunum amacıyla basitleştirilmiş olsa da, açıklanan teknikler daha karmaşık yapılara da uygulanabilir.

Bu tür sonlu eleman modelini çözerken, gerekli fiziksel niceliğin yakınsamasını incelemek çok önemlidir (bu durumda, genellikle kapasitans ağ iyileştirmesine göredir). Uyarlanabilir ağ iyileştirme işlevi, model doğrulama adımının otomasyonunu büyük ölçüde iyileştirir.

Bu kadar büyük modelleri çözerken, daha hızlı çözüm süresi elde etmek için dağıtılmış paralel bellek çözücüyü de kullanabilirsiniz. Elbette COMSOL Multiphysics ve AC/DC modülünün işlevi makaledeki girişle sınırlı değil, daha fazla işlev elde etmek için kullanabilirsiniz. Daha fazla bilgi edinmek isterseniz, lütfen bizimle iletişime geçin.

Orijinal yazar Walter Frei, http://cn.comsol.com/blogs/ adresinden izin alınarak yeniden basılmıştır.