Phân tích mô phỏng của màn hình cảm ứng điện dung

Công nghệ màn hình cảm ứng được sử dụng trong điện thoại di động, máy đọc sách điện tử, máy tính và thậm chí cả các sản phẩm điện tử tiêu dùng như đồng hồ. Một số dạng cảm ứng điện dung được sử dụng trong một số lượng lớn màn hình cảm ứng. Hãy cùng' xem cách sử dụng mô-đun AC / DC của COMSOL Multiphysics để phân tích loại cảm biến điện dung này.

Giới thiệu về cảm biến điện dung

Đối với cảm biến điện dung, chẳng hạn như cảm biến được sử dụng trong các thiết bị màn hình cảm ứng, chúng chứa một số lượng lớn các điện cực dẫn điện được nhúng trong vật liệu điện môi trong suốt (chẳng hạn như thủy tinh hoặc thậm chí màn hình sapphire). Bản thân các điện cực rất mỏng, được làm bằng vật liệu gần như hoàn toàn trong suốt và không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Hãy để' bắt đầu với một cấu trúc rất cơ bản, bao gồm hai mảng điện cực cắt nhau ở một góc 90 °, như thể hiện trong hình bên dưới.

Xin lưu ý rằng màn hình cảm ứng thực tế phức tạp hơn những gì chúng ta đã thấy ở đây, nhưng các kỹ năng mô phỏng về cơ bản là giống nhau.

Sơ đồ đơn giản hóa của các thành phần cốt lõi trong cảm biến màn hình cảm ứng điện dung (không chia tỷ lệ)

Khi đặt một hiệu điện thế giữa hai hoặc nhiều điện cực bất kỳ, một trường tĩnh điện sẽ được tạo ra. Mặc dù trường tĩnh điện là mạnh nhất giữa các điện cực và khu vực xung quanh các điện cực, nó vẫn mở rộng ra bên ngoài một khoảng cách nhất định. Khi một vật dẫn điện (chẳng hạn như ngón tay) đến gần khu vực này, điện trường sẽ thay đổi, do đó có thể phát hiện sự thay đổi điện dung kết hợp giữa hai điện cực hoạt động. Chính nhờ sự khác biệt về điện dung này mà chúng ta có thể cảm nhận được vị trí của ngón tay đang chạm vào màn hình.

Khi hiệu điện thế được đặt giữa một số điện cực, các điện cực khác có thể được cách điện riêng lẻ hoặc được kết nối điện toàn bộ, nhưng vẫn ở trạng thái cách điện. Do đó, chúng có thể có một tiềm năng không đổi nhưng chưa biết.

Mô phỏng chính xác của các điện cực này, vỏ kim loại xung quanh và các vật thể điện môi khác là chìa khóa để tính toán sự thay đổi điện dung. Hãy cùng' xem cách sử dụng chức năng của mô-đun AC / DC để đạt được điều này.

Mô phỏng cảm biến điện dung trong đồng hồ

Đối với một thiết bị tương đối nhỏ như vậy, chúng ta có thể mô phỏng toàn bộ cấu trúc; kích thước của cảm biến chỉ 20 * 30 mm và khoảng cách giữa hai điện cực là 1 mm. Đối với màn hình cảm ứng lớn hơn, sẽ hợp lý hơn nếu chỉ xem xét một khu vực nhỏ của toàn bộ màn hình.

Cảm biến điện dung được nhúng trong mặt đồng hồ bằng kính (trong suốt). Dây đeo và vỏ chỉ dành cho mục đích hình dung.

Như trong hình dưới đây, miền mô phỏng là một vùng hình trụ. Khu vực này chứa màn hình kính, ngón tay và không khí xung quanh đồng hồ. Chúng ta có lý do để tin rằng ảnh hưởng của kích thước không khí xung quanh sẽ nhanh chóng giảm khi kích thước tăng lên.

Các điều kiện biên được sử dụng

Ở đây, ranh giới của miền không khí được thiết lập như một điều kiện không mang điện tích để mô phỏng ranh giới như một không gian tự do. Ngoài ra, hai trong số các điện cực song song được đặt làm điều kiện biên trên mặt đất và trường điện áp được cố định bằng không. Hai trong số các điện cực thẳng đứng được đặt làm điều kiện biên của đầu cuối và điện áp là một giá trị không đổi. Các điều kiện biên của thiết bị đầu cuối sẽ tự động tính toán điện dung. Tất cả các ranh giới khác được mô phỏng bởi các điều kiện biên tiềm năng nổi.

Hình dung mô hình phần tử hữu hạn. Ngón tay (màu xám), tấm chắn điện (màu cam) và tất cả các điện cực không được kích thích (màu đỏ và màu xanh lá cây) được mô phỏng theo điều kiện biên điện thế nổi. Một hiệu điện thế được áp dụng cho hai điện cực (trắng và đen). Một phần của mặt số (lục lam) được ẩn đi. Tất cả các bề mặt khác sử dụng điều kiện ranh giới cách điện (màu xanh lam). Không khí và mặt số được chia lưới âm lượng. Để rõ ràng, chỉ một phần của bề mặt lưới được hiển thị.

Điều kiện biên thế năng nổi được sử dụng để biểu thị một tập hợp các bề mặt mà trên đó điện tích có thể được phân phối lại một cách tự do. Mục đích của thiết lập là mô phỏng ranh giới của một đối tượng có thế năng không đổi nhưng chưa biết. Đây là kết quả của việc áp dụng một trường tĩnh điện bên ngoài.

Loại điều kiện ranh giới tiềm năng nổi này được sử dụng trên một số bộ bề mặt, chẳng hạn như bề mặt dưới cùng của đồng hồ, biểu thị lớp chắn điện bên dưới hộp kính. Các điện cực hiện không được kích thích là một phần của điều kiện biên thế năng nổi duy nhất (giả sử rằng tất cả các điện cực được kết nối điện với nhau). Lưu ý rằng tùy chọn nhóm tiềm năng nổi có thể được sử dụng để cho phép mỗi ranh giới độc lập vật lý nổi đến một điện áp không đổi khác nhau. Cũng có thể kết hợp các điện cực của bất kỳ tổ hợp nào vào cùng một nhóm để nối chúng với nhau về mặt điện.

Ranh giới ngón tay (khi được đưa vào mô hình) cũng sử dụng điều kiện biên tiềm năng nổi. Người ta cho rằng cơ thể con người là một chất dẫn điện tương đối tốt so với không khí và các lớp điện môi.

Vật liệu sử dụng

Chỉ có hai vật liệu khác nhau được sử dụng ở đây. Vật liệu không khí đặt trước được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực và hằng số điện môi được đặt thành 1. Màn hình sử dụng vật liệu thủy tinh thạch anh đặt trước để cung cấp cho nó một hằng số điện môi cao hơn.

Mặc dù bản thân màn hình là một cấu trúc bánh sandwich bao gồm các vật liệu khác nhau, chúng ta có thể giả định rằng tất cả các lớp đều có cùng tính chất vật liệu. Do đó, không cần phải mô hình hóa rõ ràng mọi ranh giới giữa chúng; tất cả các lớp được coi là một miền duy nhất.

Hình dung màu sắc của lôgarit của giá trị điện trường. Vì ngón tay được coi như một thế năng nổi, nên điện trường bên trong của nó có thể được bỏ qua.

Giải pháp chính xác thu được bằng cách sử dụng sàng lọc lưới thích ứng

Để có được kết quả chính xác, cần phải có một lưới phần tử hữu hạn đủ tinh chỉnh để phân tích sự biến đổi trong không gian của trường điện áp. Mặc dù chúng tôi không' không biết những thay đổi mạnh nhất trong trường điện áp sẽ xuất hiện ở đâu trước khi tính toán, nhưng chúng tôi có thể để phần mềm tự quyết định vị trí cần các ô lưới nhỏ hơn thông qua tinh chỉnh lưới thích ứng.

Chúng tôi đã sử dụng sàng lọc lưới thích ứng nhiều lần và kết quả được hiển thị trong bảng bên dưới. Các kết quả này thu được trên một máy tính được cấu hình với bộ xử lý Xeon tám nhân 3,7 GHz và bộ nhớ 64 GB:

Có thể suy ra từ bảng trên rằng chúng ta có thể bắt đầu với một mắt lưới rất thô và sau đó sử dụng sàng lọc lưới thích ứng để có được giá trị điện dung chính xác hơn. Tuy nhiên, làm như vậy sẽ làm tăng mức sử dụng bộ nhớ và kéo dài thời gian giải. Sự khác biệt về tỷ lệ phần trăm điện dung là đối với lưới tốt nhất.

Tính ma trận điện dung

Từ trước đến nay, chúng ta chỉ tập trung vào tính toán điện dung giữa hai điện cực trong dãy. Trên thực tế, chúng tôi hy vọng có thể tính được điện dung giữa tất cả các điện cực trong dãy điện dung, tức là ma trận điện dung. Ma trận vuông đối xứng xác định mối quan hệ giữa hiệu điện thế và điện tích đặt vào tất cả các điện cực trong hệ thống. Đối với hệ thống gồm n điện cực và mặt đất, ma trận là:

Các số hạng chéo và không chéo này được phần mềm tự động tính toán. Phần nội dung này sẽ được mô tả chi tiết hơn trong các bài blog tiếp theo.

bản tóm tắt

Chúng tôi đã nghiên cứu một ví dụ về việc sử dụng chức năng mô phỏng tĩnh điện của mô-đun AC / DC để giải quyết một thiết bị màn hình cảm ứng điện dung. Mặc dù hình học được đơn giản hóa cho mục đích trình bày, các kỹ thuật được mô tả cũng có thể được áp dụng cho các cấu trúc phức tạp hơn.

Khi giải mô hình phần tử hữu hạn dạng này, điều rất quan trọng là phải nghiên cứu sự hội tụ của đại lượng vật lý cần thiết (trong trường hợp này, nó thường là trường hợp điện dung so với tinh luyện lưới). Chức năng sàng lọc lưới thích ứng cải thiện đáng kể việc tự động hóa bước xác minh mô hình.

Khi giải các mô hình lớn như vậy, bạn cũng có thể sử dụng bộ giải bộ nhớ song song phân tán để có thời gian giải nhanh hơn. Tất nhiên, chức năng của COMSOL Multiphysics và mô-đun AC / DC của nó không giới hạn ở phần giới thiệu trong bài viết, bạn có thể sử dụng nó để đạt được nhiều chức năng hơn. Nếu bạn muốn biết thêm, vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Tái bản với sự cho phép của http://cn.comsol.com/blogs/, tác giả gốc Walter Frei.