Анализ емкостных сенсорных экранов, используемых в бытовой электронной аппаратуре

01/01/2015

Множество бытовых электронных изделий, таких как мобильные телефоны, электронные книги, компьютеры и даже наручные часы изготавливаются с применением технологии сенсорного экрана. Во многих из этих сенсорных экранов используются емкостные датчики. Рассмотрим анализ емкостного датчика в COMSOL Multiphysics с помощью модуля AC/DC.

Емкостные датчики — краткое введение

Емкостные датчики, которые используются в устройствах с сенсорными экранами, состоят из множества проводящих электродов, встроенных в прозрачный диэлектрический материал (стекло или даже сапфир). Сами электроды очень тонкие, изготовлены из почти полностью прозрачного материала и не видны невооруженным глазом.

Рассмотрим простейшую конфигурацию, которая состоит из двух массивов электродов, расположенных под углом 90° друг к другу, как показано на рисунке ниже.
Обратите внимание, что реальные сенсорные экраны намного сложнее показанного тут, однако на методы моделирования это почти не влияет.

Изображение основных компонентов емкостного датчика для сенсорного экрана.
Упрощенная схема основных компонентов датчика емкостного экрана (не в масштабе).

Когда между любыми двумя и более электродами появляется дифференциальное напряжение, возникает электростатическое поле. Хотя поле сильнее всего в области между электродами и вокруг электродов, оно действует и на некотором расстоянии от них. При приближении к этой области проводящего объекта (например, пальца), поля изменяются, и становится возможным измерить результирующее изменение емкости между двумя активными электродами. Именно эта разность емкости используется для определения положения пальца, прикасающегося к экрану.

Когда в некотором подмножестве электродов возникает разность потенциалов, другие электроды будут либо электрически изолированы по отдельности, либо все электрически соединены, но при этом электрически изолированы. Таким образом, они будут иметь некий постоянный, но неизвестный потенциал.

Для вычисления изменений емкости ключевое значение имеет корректность моделирования этих электродов, а также окружающих металлических корпусов и других диэлектрических объектов. Посмотрим, как сделать это средствами модуля AC/DC.

Модель емкостного датчика в наручных часах

Для этого относительно небольшого устройства мы можем смоделировать всю конструкцию; размер датчика всего 20 х 30 миллиметров, а расстояние между электродами — 1 миллиметр. Для сенсорных экранов большего размера разумнее рассматривать лишь небольшой участок экрана.

Модель емкостного датчика наручных часов.
Емкостный датчик встроен в стеклянный (прозрачный) циферблат часов. Ремешок и корпус часов приведены только для визуализации.

Как показано на следующих рисунках, областью моделирования является цилиндр. Эта область охватывает стеклянный экран, палец и объем воздуха вокруг часов.Можно утверждать, что влияние объема окружающего воздуха быстро снижается по мере увеличения размера.

Используемые граничные условия

В данном случае для границ объема воздуха задано условие нулевого заряда, тем самым имитируется граница свободного пространства. Кроме того, для двух параллельных электродов установлено граничное условие Ground (Земля), таким образом фиксируется нулевое значение поля напряжения. К двум перпендикулярным электродам применено граничное условие Terminal (Вывод), что фиксирует на них постоянное напряжение. Граничное условие Terminal (Вывод) также автоматически рассчитывет емкость. Все остальные границы моделируются с помощью граничного условия Floating Potential (Плавающий потенциал).

Визуальное представление граничных условий, которые применяются в модели наручных часов.
Визуализация модели конечных элементов.Палец (серый), электрический экран (оранжевый) и все невозбужденные электроды (красный и зеленый) смоделированы с помощью граничных условий Floating Potential (Плавающий потенциал).На двух электродах (белом и черном) возникла разность потенциалов.Циферблат часов (голубой) частично скрыт.Для всех остальных поверхностей (синий) используются граничные условия Electric Insulation (Электрическая изоляция).В воздухе и на циферблате часов нанесена объемная сетка.Для упрощения сетка показана только на некоторых поверхностях.

Для представления набора поверхностей, через которые может свободно перераспределяться заряд, используется граничное условие Floating Potential (Плавающий потенциал). Данное условие предназначено для моделирования границ объекта, имеющего постоянный, но неизвестный электрический потенциал. Он возникает под воздействием внешнего электростатического поля.

Данное граничное условие Плавающий потенциал используется для нескольких групп поверхностей, например для нижней поверхности часов, которая представляет собой электрический экран под стеклянной крышкой. Невозбужденные в настоящий момент электроды являются частью одного граничного условия Плавающий потенциал (предполагается, что все они электрически соединены).Обратите внимание, что существует возможность использовать опцию Floating Potential Group (Группа с плавающим потенциалом), позволяющую определять для каждой физически отделенной границы отдельное постоянное напряжение.Также имеется возможность электрически соединять любой набор электродов, включая их в одну Группу.

Границы пальца (если он входит в модель) также имеют граничное условие Плавающий потенциал. Предполагается, что тело человека является относительно хорошим проводником по сравнению с воздухом и диэлектрическими слоями.

Используемые материалы

Здесь используются только два материала. Для большинства областей применяется готовый материал Air (Воздух), для которого диэлектрическая проницаемость установлена равной единице. Для назначения экрану более высокого значения диэлектрической проницаемости используется готовый материал Quartz Glass (Кварцевое стекло).

Хотя экран представляет собой многослойную структуру из разных материалов, мы предполагаем, что все слои обладают одинаковыми свойствами. Следовательно, нам нет необходимости в явном виде моделировать границы между слоями: все они рассматриваются как единая область.

Изображение с цветовой визуализацией электрического поля.
Цветовая визуализация величины электрического поля. Так как палец рассматривается как плавающий потенциал, поле внутри него не показано.

Точные решения с использованием адаптивного измельчения сетки

Точность результатов зависит от наличия сетки конечных элементов, достаточно мелкой для разрешения пространственных вариаций в поле напряжения. Хотя нам заранее неизвестно, где возникнут значительные вариации поля, мы можем воспользоваться адаптивным измельчением сетки, чтобы программа сама определила, где именно требуются более мелкие элементы.

В таблице ниже представлены результаты использования нескольких уровней адаптивного измельчения сетки.Они были получены на восьмиядерной системе Xeon, работающей на частоте 3,7 ГГц, с ОЗУ 64 Гб:

Степени свободы (миллионы) Используемая память (Гб) Время решения, за исключением перестроения сетки (секунды) Процентное отклонение измеренной емкости
0,125 (параметр сетки Normal (Нормальный) по умолчанию) 1,7 10 28 %
0,6 (после 1-го адаптивного измельчения сетки) 2,2 20 6 %
2,3 (2 измельчение) 4,8 84 2 %
7,7 (3 измельчение) 14 711 0,6 %
24,4 (4 измельчение) 47 2960 Н/Д

Из таблицы выше можно заключить: более точное значение емкости можно получить, начиная с очень крупной сетки и применяя ее адаптивное измельчение.При этом возрастает объем используемой памяти и время расчета.Процентное отклонение емкости приведено в сравнении с вариантом самой мелкой сетки.

Расчет матрицы емкости

До сих пор мы рассматривали только расчет емкости между двумя электродами в массиве.На практике мы хотим рассчитать емкость между всеми электродами, то есть Матрицу емкости. Эта квадратная симметричная матрица определяет соотношение между возникшим напряжением и зарядом на электродах системы. Для системы, состоящей из n электродов и одного основания, матрица имеет следующий вид:

\left\{ \begin{array}{c} Q_1\\ \vdots \\Q_n \end{array} \right\} = \left[ \begin{array}{ccc} C_{11} & \ldots & C_{1n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ C_{n1} & \ldots & C_{nn} \\ \end{array} \right] \left\{ \begin{array}{c} V_1\\ \vdots \\V_n \end{array} \right\}

Диагональные компоненты этой матрицы рассчитываются как интеграл плотности электроэнергии по всем областям:

C_{ii}=\frac{2}{V_i^2} \int \limits_\Omega W_e d\Omega

где

V_k = \begin{cases} \begin{array}{c c} 0 & j \neq i \\ V_i & j = i\end{array} \end{cases}

Недиагональные члены рассчитываются по формуле:

C_{ij}=\frac{2}{V_i V_j} \int \limits_\Omega W_e d\Omega-\frac{1}{2}\left( \frac{V_i}{V_j}C_{ii} + \frac{V_j}{V_i}C_{jj}\right)

где

V_k = \begin{cases} \begin{array}{c c} 0 &k\neq i,j\\ V_i & k=i \\V_j & k=j \end{array} \end{cases}

Эти диагональные и недиагональные члены рассчитываются программой автоматически — подробнее об этом в следующей публикации нашего блога.

Выводы

Мы рассмотрели пример устройства с емкостным сенсорным экраном, используя возможности моделирования электростатического поля модуля AC/DC. Хотя геометрия были упрощена для удобства представления, описанные методы можно использовать и для более сложных структур.

При расчете таких моделей конечных элементов всегда важно исследовать сходимость искомых величин (в данном случае, как правило, это емкости по отношению к измельчению сетки). Функция адаптивного измельчения сетки существенно автоматизирует этап валидации данной модели.

При расчете подобных больших моделей можно также использовать параллельный решатель в распределенной памяти для сокращения времени решения. Возможности системы COMSOL Multiphysics и модуля AC/DC, конечно же, гораздо шире, чем описано в этой публикации. Если вам хотелось бы узнать об этом подробнее, пожалуйста, свяжитесь с нами.


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ