Analisis Simulasi Layar Sentuh Kapasitif

Teknologi layar sentuh digunakan di ponsel, pembaca e-book, komputer, dan bahkan produk elektronik konsumen seperti jam tangan. Beberapa bentuk penginderaan kapasitif digunakan di sejumlah besar layar sentuh. Mari's melihat cara menggunakan modul AC/DC dari COMSOL Multiphysics untuk menganalisis jenis sensor kapasitif ini.

Pengantar Penginderaan Kapasitif

Untuk sensor kapasitif seperti yang digunakan pada perangkat layar sentuh, sensor tersebut mengandung sejumlah besar elektroda konduktif yang tertanam dalam bahan dielektrik transparan (seperti kaca atau bahkan layar safir). Elektroda itu sendiri sangat tipis, terbuat dari bahan yang hampir sepenuhnya transparan, dan tidak terlihat dengan mata telanjang.

Mari's mulai dengan struktur yang sangat dasar, yang mencakup dua susunan elektroda yang berpotongan pada sudut 90°, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

Harap dicatat bahwa layar sentuh yang sebenarnya lebih rumit dari apa yang telah kita lihat di sini, tetapi keterampilan simulasi pada dasarnya sama.

Diagram skema sederhana dari komponen inti dalam sensor layar sentuh kapasitif (tidak untuk skala)

Ketika perbedaan tegangan diterapkan antara dua atau lebih elektroda, medan elektrostatik dihasilkan. Meskipun medan elektrostatis paling kuat antara elektroda dan area di sekitar elektroda, medan tersebut masih meluas ke luar dengan jarak tertentu. Ketika benda konduktif (seperti jari) mendekati area ini, medan listrik akan berubah, sehingga perubahan kapasitansi gabungan antara dua elektroda aktif dapat dideteksi. Melalui perbedaan kapasitansi inilah kita merasakan posisi jari yang menyentuh layar.

Ketika perbedaan potensial diterapkan antara beberapa elektroda, elektroda lainnya dapat diisolasi secara listrik secara individual, atau terhubung secara listrik secara keseluruhan, tetapi masih dalam keadaan terisolasi secara elektrik. Oleh karena itu, mereka dapat memiliki potensi yang konstan tetapi tidak diketahui.

Simulasi yang benar dari elektroda ini, cangkang logam di sekitarnya, dan objek dielektrik lainnya adalah kunci untuk menghitung perubahan kapasitansi. Mari's melihat bagaimana menggunakan fungsi modul AC/DC untuk mencapai hal ini.

Simulasikan sensor kapasitif dalam jam tangan

Untuk perangkat yang relatif kecil seperti itu, kita dapat mensimulasikan seluruh struktur; ukuran sensor hanya 20 * 30 mm, dan jarak antara kedua elektroda adalah 1 mm. Untuk layar sentuh yang lebih besar, lebih masuk akal untuk mempertimbangkan hanya area kecil dari keseluruhan layar.

Sensor kapasitif tertanam di dial kaca (transparan). Tali dan kasing hanya untuk tujuan visualisasi.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, domain simulasi adalah area silinder. Area ini berisi layar kaca, jari, dan udara di sekitar jam tangan. Kami memiliki alasan untuk percaya bahwa pengaruh ukuran udara di sekitarnya akan berkurang dengan cepat seiring dengan bertambahnya ukuran.

Kondisi batas yang digunakan

Di sini, batas domain udara ditetapkan sebagai kondisi muatan nol untuk mensimulasikan batas sebagai ruang bebas. Selain itu, dua elektroda paralel ditetapkan sebagai kondisi batas tanah, dan medan tegangan ditetapkan pada nol. Dua dari elektroda vertikal ditetapkan sebagai kondisi batas terminal, dan tegangan adalah nilai konstan. Kondisi batas terminal akan secara otomatis menghitung kapasitansi. Semua batas lainnya disimulasikan dengan kondisi batas potensial mengambang.

Visualisasikan model elemen hingga. Jari (abu-abu), perisai listrik (oranye), dan semua elektroda yang tidak tereksitasi (merah dan hijau) disimulasikan dengan kondisi batas potensial mengambang. Beda potensial diterapkan pada dua elektroda (putih dan hitam). Bagian dari dial (cyan) disembunyikan. Semua permukaan lain menggunakan kondisi batas isolasi listrik (biru). Udara dan dial terhubung dengan volume. Demi kejelasan, hanya sebagian dari permukaan kisi yang ditampilkan.

Kondisi batas potensial mengambang digunakan untuk mewakili satu set permukaan di mana muatan dapat didistribusikan kembali secara bebas. Tujuan dari setting adalah untuk mensimulasikan batas suatu objek dengan potensial yang konstan tetapi tidak diketahui. Ini adalah hasil dari penerapan medan elektrostatik eksternal.

Jenis kondisi batas potensial mengambang ini digunakan pada beberapa set permukaan, seperti permukaan bawah jam tangan, yang mewakili pelindung listrik di bawah kotak kaca. Elektroda yang saat ini tidak tereksitasi adalah bagian dari kondisi batas potensial mengambang tunggal (dengan asumsi bahwa semua elektroda terhubung secara elektrik). Perhatikan bahwa opsi grup potensial mengambang dapat digunakan untuk memungkinkan setiap batas yang independen secara fisik untuk mengapung ke tegangan konstan yang berbeda. Dimungkinkan juga untuk menggabungkan elektroda dari kombinasi apa pun ke dalam kelompok yang sama untuk menghubungkannya secara elektrik.

Batas jari (bila dimasukkan dalam model) juga menggunakan kondisi batas potensial mengambang. Diasumsikan bahwa tubuh manusia adalah konduktor yang relatif baik terhadap udara dan lapisan dielektrik.

Bahan-bahan yang digunakan

Hanya dua bahan berbeda yang digunakan di sini. Bahan udara preset digunakan di sebagian besar domain, dan konstanta dielektrik diatur ke 1. Layar menggunakan bahan kaca kuarsa preset untuk memberikan konstanta dielektrik yang lebih tinggi.

Meskipun layar itu sendiri adalah struktur sandwich yang terdiri dari bahan yang berbeda, kita dapat mengasumsikan bahwa semua lapisan memiliki sifat material yang sama. Oleh karena itu, tidak perlu secara eksplisit memodelkan setiap batas di antara mereka; semua lapisan diperlakukan sebagai domain tunggal.

Visualisasikan warna logaritma dari nilai medan listrik. Karena jari dipandang sebagai potensial mengambang, medan listrik internalnya dapat diabaikan.

Solusi tepat diperoleh menggunakan penyempurnaan mesh adaptif

Untuk mendapatkan hasil yang akurat, perlu memiliki kisi elemen hingga yang cukup halus untuk menganalisis variasi spasial medan tegangan. Meskipun kita tidak't tahu di mana perubahan paling dramatis dalam medan tegangan akan muncul sebelum perhitungan, kita dapat membiarkan perangkat lunak memutuskan dengan sendirinya di mana sel-sel jaringan yang lebih kecil diperlukan melalui penyempurnaan mesh adaptif.

Kami menggunakan penyempurnaan mesh adaptif beberapa kali, dan hasilnya ditunjukkan pada tabel di bawah ini. Hasil ini diperoleh pada komputer yang dikonfigurasi dengan prosesor Xeon delapan inti 3,7 GHz dan memori 64 GB:

Dapat disimpulkan dari tabel di atas bahwa kita dapat memulai dengan mesh yang sangat kasar dan kemudian menggunakan penyempurnaan mesh adaptif untuk mendapatkan nilai kapasitansi yang lebih akurat. Namun, hal itu akan meningkatkan penggunaan memori dan memperpanjang waktu solusi. Perbedaan persentase kapasitansi adalah untuk mesh terbaik.

Hitung matriks kapasitansi

Sejauh ini, kami hanya fokus pada perhitungan kapasitansi antara dua elektroda dalam array. Sebenarnya, kami berharap dapat menghitung kapasitansi antara semua elektroda dalam susunan kapasitansi, yaitu matriks kapasitansi. Matriks persegi simetris mendefinisikan hubungan antara tegangan dan muatan yang diterapkan ke semua elektroda dalam sistem. Untuk sistem yang terdiri dari n elektroda dan ground, matriksnya adalah:

Istilah diagonal dan non-diagonal ini secara otomatis dihitung oleh perangkat lunak. Bagian dari konten ini akan dijelaskan secara lebih rinci dalam posting blog berikutnya.

Ringkasan

Kami mempelajari contoh penggunaan fungsi simulasi elektrostatik dari modul AC/DC untuk menyelesaikan perangkat layar sentuh kapasitif. Meskipun geometri disederhanakan untuk tujuan presentasi, teknik yang dijelaskan juga dapat diterapkan pada struktur yang lebih kompleks.

Ketika memecahkan jenis model elemen hingga ini, sangat penting untuk mempelajari konvergensi kuantitas fisik yang diperlukan (dalam hal ini, biasanya kasus kapasitansi relatif terhadap penyempurnaan mesh). Fungsi penyempurnaan mesh adaptif sangat meningkatkan otomatisasi langkah verifikasi model.

Saat memecahkan model besar seperti itu, Anda juga dapat menggunakan pemecah memori paralel terdistribusi untuk mendapatkan waktu solusi yang lebih cepat. Tentu saja, fungsi COMSOL Multiphysics dan modul AC/DC-nya tidak terbatas pada pengantar di artikel, Anda dapat menggunakannya untuk mencapai lebih banyak fungsi. Jika Anda ingin tahu lebih banyak, silahkan hubungi kami.

Dicetak ulang dengan izin dari http://cn.comsol.com/blogs/, penulis asli Walter Frei.