การวิเคราะห์การจำลองของหน้าจอสัมผัสแบบ Capacitive

เทคโนโลยีหน้าจอสัมผัสใช้ในโทรศัพท์มือถือ เครื่องอ่าน e-book คอมพิวเตอร์ และแม้แต่ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น นาฬิกา การตรวจจับ capacitive บางรูปแบบใช้ในหน้าจอสัมผัสจำนวนมาก ให้' มาดูวิธีใช้โมดูล AC/DC ของ COMSOL Multiphysics เพื่อวิเคราะห์เซ็นเซอร์ capacitive ประเภทนี้

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการตรวจจับประจุไฟฟ้า

สำหรับเซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ เช่น ที่ใช้ในอุปกรณ์หน้าจอสัมผัส เซ็นเซอร์ดังกล่าวมีอิเล็กโทรดนำไฟฟ้าจำนวนมากที่ฝังอยู่ในวัสดุไดอิเล็กทริกแบบโปร่งใส (เช่น กระจก หรือแม้แต่หน้าจอแซฟไฟร์) อิเล็กโทรดเองนั้นบางมาก ทำจากวัสดุที่โปร่งใสเกือบทั้งหมด และมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า

ให้' เริ่มต้นด้วยโครงสร้างพื้นฐาน ซึ่งประกอบด้วยอาร์เรย์อิเล็กโทรดสองชุดที่ตัดกันที่มุม 90° ดังแสดงในรูปด้านล่าง

โปรดทราบว่าหน้าจอสัมผัสจริงนั้นซับซ้อนกว่าที่เราเคยเห็นที่นี่ แต่ทักษะการจำลองโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกัน

แผนผังแบบง่ายของส่วนประกอบหลักในเซ็นเซอร์หน้าจอสัมผัสแบบ capacitive (ไม่ใช่ขนาด)

เมื่อใช้ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดตั้งแต่สองขั้วขึ้นไป จะเกิดสนามไฟฟ้าสถิตขึ้น แม้ว่าสนามไฟฟ้าสถิตจะแข็งแกร่งที่สุดระหว่างอิเล็กโทรดกับพื้นที่รอบอิเล็กโทรด แต่ก็ยังขยายระยะทางออกไปด้านนอก เมื่อวัตถุนำไฟฟ้า (เช่น นิ้ว) เข้าใกล้บริเวณนี้ สนามไฟฟ้าจะเปลี่ยน เพื่อให้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความจุรวมระหว่างอิเล็กโทรดที่ทำงานอยู่ทั้งสองได้ ผ่านความแตกต่างของความจุนี้ที่เราสัมผัสตำแหน่งของนิ้วที่สัมผัสหน้าจอ

เมื่อใช้ความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดบางอิเล็กโทรด อิเล็กโทรดอื่นๆ สามารถหุ้มฉนวนไฟฟ้าแยกกัน หรือเชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าทั้งหมด แต่ยังคงอยู่ในสถานะฉนวนไฟฟ้า ดังนั้นพวกมันจึงสามารถมีศักยภาพที่คงที่แต่ไม่รู้จัก

การจำลองที่ถูกต้องของอิเล็กโทรดเหล่านี้ เปลือกโลหะโดยรอบ และวัตถุอิเล็กทริกอื่นๆ เป็นกุญแจสำคัญในการคำนวณการเปลี่ยนแปลงความจุ ให้' มาดูวิธีการใช้ฟังก์ชันของโมดูล AC/DC เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้

จำลองเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟในนาฬิกา

สำหรับอุปกรณ์ขนาดค่อนข้างเล็ก เราสามารถจำลองโครงสร้างทั้งหมดได้ ขนาดของเซนเซอร์เพียง 20*30 มม. และระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองคือ 1 มม. สำหรับหน้าจอสัมผัสขนาดใหญ่ ควรพิจารณาเฉพาะพื้นที่เล็กๆ ของทั้งหน้าจอเท่านั้น

เซ็นเซอร์คาปาซิทีฟฝังอยู่ในแป้นหมุนกระจก (โปร่งใส) สายรัดและตัวเรือนใช้เพื่อการมองเห็นเท่านั้น

ดังแสดงในรูปด้านล่าง โดเมนการจำลองคือพื้นที่ทรงกระบอก บริเวณนี้มีหน้าจอกระจก นิ้ว และอากาศรอบๆ นาฬิกา เรามีเหตุผลที่เชื่อได้ว่าอิทธิพลของขนาดของอากาศโดยรอบจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อขนาดเพิ่มขึ้น

เงื่อนไขขอบเขตที่ใช้

ในที่นี้ ขอบเขตของโดเมนอากาศถูกกำหนดเป็นเงื่อนไขที่ไม่มีประจุเพื่อจำลองขอบเขตเป็นพื้นที่ว่าง นอกจากนี้ อิเล็กโทรดขนานสองอิเล็กโทรดถูกกำหนดให้เป็นเงื่อนไขขอบเขตกราวด์ และสนามแรงดันถูกกำหนดไว้ที่ศูนย์ อิเล็กโทรดแนวตั้งสองอันถูกกำหนดเป็นเงื่อนไขขอบเขตของเทอร์มินัล และแรงดันไฟฟ้าเป็นค่าคงที่ เงื่อนไขขอบเขตของเทอร์มินัลจะคำนวณความจุโดยอัตโนมัติ ขอบเขตอื่นๆ ทั้งหมดถูกจำลองโดยเงื่อนไขขอบเขตที่อาจเกิดขึ้นแบบลอยตัว

เห็นภาพโมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์ นิ้ว (สีเทา) แผงป้องกันไฟฟ้า (สีส้ม) และอิเล็กโทรดที่ไม่ถูกกระตุ้นทั้งหมด (สีแดงและสีเขียว) ถูกจำลองโดยสภาวะขอบเขตศักย์ลอยตัว ความต่างศักย์ถูกนำไปใช้กับอิเล็กโทรดทั้งสอง (สีขาวและสีดำ) ส่วนหนึ่งของหน้าปัด (สีฟ้า) ถูกซ่อนไว้ พื้นผิวอื่นๆ ทั้งหมดใช้เงื่อนไขขอบเขตฉนวนไฟฟ้า (สีน้ำเงิน) อากาศและแป้นหมุนมีปริมาณตาข่าย เพื่อความชัดเจน ระบบจะแสดงเพียงส่วนหนึ่งของพื้นผิวของตารางเท่านั้น

เงื่อนไขขอบเขตศักย์ลอยตัวจะใช้เพื่อแสดงชุดของพื้นผิวที่สามารถแจกจ่ายประจุใหม่ได้อย่างอิสระ จุดประสงค์ของการตั้งค่าคือการจำลองขอบเขตของวัตถุที่มีค่าคงที่แต่ไม่ทราบค่า ซึ่งเป็นผลมาจากการใช้สนามไฟฟ้าสถิตภายนอก

สภาวะขอบเขตศักย์ลอยตัวประเภทนี้ใช้กับพื้นผิวหลายชุด เช่น พื้นผิวด้านล่างของนาฬิกา ซึ่งแสดงถึงเกราะป้องกันไฟฟ้าใต้กล่องกระจก อิเล็กโทรดที่ไม่ถูกกระตุ้นในปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของเงื่อนไขขอบเขตศักย์ไฟฟ้าลอยตัวเดียว (สมมติว่าอิเล็กโทรดทั้งหมดเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเข้าด้วยกัน) โปรดทราบว่าตัวเลือกกลุ่มศักยภาพลอยตัวสามารถใช้เพื่อให้ขอบเขตอิสระทางกายภาพแต่ละส่วนลอยไปยังแรงดันคงที่ที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังสามารถรวมอิเล็กโทรดของชุดค่าผสมใดๆ ไว้ในกลุ่มเดียวกันเพื่อเชื่อมต่อเข้าด้วยกันทางไฟฟ้า

ขอบเขตของนิ้ว (เมื่อรวมอยู่ในแบบจำลอง) ยังใช้เงื่อนไขขอบเขตที่อาจลอยได้ สันนิษฐานว่าร่างกายมนุษย์เป็นตัวนำที่ค่อนข้างดีเมื่อเทียบกับชั้นอากาศและอิเล็กทริก

วัสดุที่ใช้

มีเพียงสองวัสดุที่แตกต่างกันเท่านั้นที่ใช้ที่นี่ วัสดุลมที่ตั้งไว้ล่วงหน้าถูกใช้ในโดเมนส่วนใหญ่ และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกถูกตั้งค่าเป็น 1 หน้าจอใช้วัสดุแก้วควอทซ์ที่ตั้งไว้ล่วงหน้าเพื่อให้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงขึ้น

แม้ว่าตัวหน้าจอเองจะเป็นโครงสร้างแบบแซนวิชที่ประกอบด้วยวัสดุที่แตกต่างกัน แต่เราสามารถสรุปได้ว่าทุกชั้นมีคุณสมบัติของวัสดุเหมือนกัน ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องสร้างแบบจำลองทุกขอบเขตอย่างชัดเจน เลเยอร์ทั้งหมดถือเป็นโดเมนเดียว

เห็นภาพสีของลอการิทึมของค่าสนามไฟฟ้า เนื่องจากนิ้วถูกมองว่าเป็นศักย์ลอย จึงมองข้ามสนามไฟฟ้าภายในได้

ได้สารละลายที่แน่นอนโดยใช้การปรับแต่งตาข่ายแบบปรับได้

เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ จำเป็นต้องมีกริดองค์ประกอบไฟไนต์ที่กลั่นกรองเพียงพอเพื่อวิเคราะห์ความแปรผันเชิงพื้นที่ของสนามแรงดันไฟฟ้า แม้ว่าเราจะไม่ทราบว่า' ไม่ทราบว่าการเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงที่สุดในสนามแรงดันไฟฟ้าจะปรากฏที่ใดก่อนการคำนวณ เราสามารถให้ซอฟต์แวร์ตัดสินใจด้วยตัวเองว่าต้องการเซลล์กริดที่เล็กกว่าที่ใดผ่านการปรับแต่งตาข่ายแบบปรับได้

เราใช้การปรับแต่งตาข่ายแบบปรับได้หลายครั้ง และผลลัพธ์จะแสดงในตารางด้านล่าง ผลลัพธ์เหล่านี้ได้มาจากคอมพิวเตอร์ที่กำหนดค่าด้วยโปรเซสเซอร์ Xeon 8 คอร์ 3.7 GHz และหน่วยความจำ 64 GB:

สามารถอนุมานได้จากตารางด้านบนว่าเราสามารถเริ่มต้นด้วยตาข่ายที่หยาบมาก จากนั้นใช้การปรับแต่งตาข่ายที่ปรับได้เพื่อให้ได้ค่าความจุที่แม่นยำยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม การทำเช่นนี้จะเพิ่มการใช้หน่วยความจำและยืดเวลาการแก้ปัญหา เปอร์เซ็นต์ความจุแตกต่างกันสำหรับตาข่ายที่ดีที่สุด

คำนวณเมทริกซ์ความจุ

จนถึงตอนนี้ เรามุ่งเน้นเฉพาะการคำนวณความจุระหว่างอิเล็กโทรดสองขั้วในอาร์เรย์เท่านั้น อันที่จริง เราหวังว่าจะสามารถคำนวณความจุระหว่างอิเล็กโทรดทั้งหมดในอาร์เรย์ความจุ นั่นคือเมทริกซ์ความจุ เมทริกซ์สี่เหลี่ยมจัตุรัสสมมาตรกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟและประจุที่ใช้กับอิเล็กโทรดทั้งหมดในระบบ สำหรับระบบที่ประกอบด้วย n อิเล็กโทรดและกราวด์ เมทริกซ์คือ:

ซอฟต์แวร์จะคำนวณคำในแนวทแยงและไม่ใช่แนวทแยงโดยอัตโนมัติ เนื้อหาส่วนนี้จะอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมในโพสต์บล็อกที่ตามมา

สรุป

เราศึกษาตัวอย่างการใช้ฟังก์ชันการจำลองไฟฟ้าสถิตของโมดูล AC/DC เพื่อแก้ปัญหาอุปกรณ์หน้าจอสัมผัสแบบคาปาซิทีฟ แม้ว่าเรขาคณิตจะถูกทำให้ง่ายขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการนำเสนอ แต่เทคนิคที่อธิบายไว้ยังสามารถนำไปใช้กับโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้นได้

เมื่อแก้ไขแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ประเภทนี้ สิ่งสำคัญคือต้องศึกษาการบรรจบกันของปริมาณทางกายภาพที่ต้องการ (ในกรณีนี้ มักจะเป็นกรณีของความจุที่สัมพันธ์กับการปรับแต่งของเมช) ฟังก์ชันการปรับแต่งตาข่ายแบบปรับได้ช่วยปรับปรุงระบบอัตโนมัติของขั้นตอนการตรวจสอบแบบจำลองอย่างมาก

เมื่อแก้ไขโมเดลขนาดใหญ่เช่นนี้ คุณยังสามารถใช้ตัวแก้ไขหน่วยความจำแบบขนานแบบกระจายเพื่อให้ได้เวลาการแก้ปัญหาเร็วขึ้น แน่นอน ฟังก์ชันของ COMSOL Multiphysics และโมดูล AC/DC ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงการแนะนำในบทความ คุณสามารถใช้เพื่อบรรลุฟังก์ชันต่างๆ ได้มากขึ้น หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติม โปรดติดต่อเรา

พิมพ์ซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก http://cn.comsol.com/blogs/ ผู้เขียนดั้งเดิม Walter Frei