Talpinio jutiklinio ekrano modeliavimo analizė

Jutiklinio ekrano technologija naudojama mobiliuosiuose telefonuose, elektroninių knygų skaitytuvuose, kompiuteriuose ir net plataus vartojimo elektronikos gaminiuose, pavyzdžiui, laikrodžiuose. Tam tikra talpinio jutimo forma naudojama daugelyje jutiklinių ekranų. Pažvelkime', kaip naudoti COMSOL Multiphysics AC/DC modulį šio tipo talpiniams jutikliams analizuoti.

Talpinio jutimo įvadas

Talpiniams jutikliams, pvz., naudojamiems jutikliniuose ekranuose, juose yra daug laidžių elektrodų, įterptų į skaidrias dielektrines medžiagas (pvz., stiklą ar net safyro ekranus). Patys elektrodai yra labai ploni, pagaminti iš beveik visiškai skaidrios medžiagos, nematomi plika akimi.

Pradėkime nuo labai paprastos struktūros, kurią sudaro dvi elektrodų matricos, susikertančios 90° kampu, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Atkreipkite dėmesį, kad tikrasis jutiklinis ekranas yra sudėtingesnis nei tai, ką matėme čia, tačiau modeliavimo įgūdžiai iš esmės yra tokie patys.

Supaprastinta talpinio jutiklinio ekrano jutiklio pagrindinių komponentų schema (nepagal mastelį)

Kai tarp bet kurių dviejų ar daugiau elektrodų taikomas įtampos skirtumas, susidaro elektrostatinis laukas. Nors elektrostatinis laukas yra stipriausias tarp elektrodų ir juos supančios srities, jis vis tiek tęsiasi tam tikru atstumu į išorę. Kai laidus objektas (pvz., pirštas) priartėja prie šios srities, elektrinis laukas pasikeis, kad būtų galima aptikti dviejų aktyvių elektrodų bendros talpos pokytį. Būtent dėl ​​šio talpos skirtumo mes jaučiame piršto, kuris liečia ekraną, padėtį.

Kai tarp kai kurių elektrodų taikomas potencialų skirtumas, kiti elektrodai gali būti elektriškai izoliuoti atskirai arba elektra sujungti kaip visuma, bet vis tiek elektra izoliuoti. Todėl jie gali turėti pastovų, bet nežinomą potencialą.

Tinkamas šių elektrodų, aplinkinių metalinių apvalkalų ir kitų dielektrinių objektų modeliavimas yra raktas į talpos pokyčių apskaičiavimą. Pažvelkime', kaip naudoti AC/DC modulio funkciją tam pasiekti.

Imituokite laikrodyje esantį talpinį jutiklį

Tokiam palyginti nedideliam įrenginiui galime imituoti visą struktūrą; jutiklio dydis yra tik 20 * 30 mm, o atstumas tarp dviejų elektrodų yra 1 mm. Didesniems jutikliniams ekranams tikslingiau atsižvelgti tik į nedidelį viso ekrano plotą.

Stikliniame ciferblate įtaisytas talpinis jutiklis (skaidrus). Dirželis ir dėklas skirti tik vizualizacijai.

Kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, modeliavimo sritis yra cilindro formos sritis. Šioje srityje yra stiklinis ekranas, pirštai ir oras aplink laikrodį. Turime pagrindo manyti, kad didėjant dydžiui, supančio oro dydžio įtaka greitai mažės.

Naudojamos ribinės sąlygos

Čia oro srities riba nustatoma kaip nulinio įkrovimo sąlyga, kad būtų galima imituoti ribą kaip laisvą erdvę. Be to, du iš lygiagrečių elektrodų yra nustatyti kaip įžeminimo ribinės sąlygos, o įtampos laukas yra nustatytas ties nuliu. Du vertikalūs elektrodai yra nustatyti kaip gnybtų ribinės sąlygos, o įtampa yra pastovi vertė. Terminalo ribinės sąlygos automatiškai apskaičiuos talpą. Visos kitos ribos yra imituojamos plaukiojančiomis potencialo ribinėmis sąlygomis.

Vizualizuokite baigtinių elementų modelį. Pirštas (pilkas), elektrinis skydas (oranžinė) ir visi nesužadinti elektrodai (raudona ir žalia) yra imituojami slankiojo potencialo ribinės sąlygos. Potencialų skirtumas taikomas dviem elektrodams (baltam ir juodam). Dalis ciferblato (žydra) yra paslėpta. Visiems kitiems paviršiams naudojamos elektros izoliacijos ribinės sąlygos (mėlyna). Oras ir ciferblatas yra sujungti tūrio tinkleliu. Aiškumo dėlei parodyta tik dalis tinklelio paviršiaus.

Slankiojo potencialo ribinė sąlyga naudojama vaizduoti paviršių rinkinį, ant kurio krūvis gali būti laisvai perskirstytas. Nustatymo tikslas – imituoti objekto, turinčio pastovų, bet nežinomą potencialą, ribą. Tai yra išorinio elektrostatinio lauko taikymo rezultatas.

Šio tipo slankiojo potencialo ribinės sąlygos naudojamos keliems paviršių rinkiniams, pvz., apatiniame laikrodžio paviršiuje, kuris atspindi elektrinį ekraną po stikliniu korpusu. Elektrodai, kurie šiuo metu nėra sužadinti, yra vienos slankiojo potencialo ribinės sąlygos dalis (darant prielaidą, kad visi elektrodai yra elektra sujungti). Atkreipkite dėmesį, kad slankiojo potencialo grupės parinktis gali būti naudojama, kad kiekviena fiziškai nepriklausoma riba galėtų plūduriuoti iki skirtingos nuolatinės įtampos. Taip pat galima sujungti bet kokio derinio elektrodus į tą pačią grupę, kad jie būtų sujungti elektriniu būdu.

Pirštų riba (jei ji įtraukta į modelį) taip pat naudoja slankiojo potencialo ribos sąlygą. Daroma prielaida, kad žmogaus kūnas yra gana geras laidininkas oro ir dielektrinių sluoksnių atžvilgiu.

Naudotos medžiagos

Čia naudojamos tik dvi skirtingos medžiagos. Daugumoje sričių naudojamos iš anksto nustatytos oro medžiagos, o dielektrinė konstanta nustatyta į 1. Ekrane naudojama iš anksto nustatyta kvarcinio stiklo medžiaga, kad būtų užtikrinta didesnė dielektrinė konstanta.

Nors pats ekranas yra sumuštinis, sudarytas iš skirtingų medžiagų, galime manyti, kad visi sluoksniai turi tas pačias medžiagos savybes. Todėl nereikia aiškiai modeliuoti kiekvienos ribos tarp jų; visi sluoksniai traktuojami kaip vienas domenas.

Įsivaizduokite elektrinio lauko reikšmės logaritmo spalvą. Kadangi pirštas laikomas plūduriuojančiu potencialu, jo vidinis elektrinis laukas gali būti ignoruojamas.

Tikslus sprendimas, gautas naudojant adaptyvų tinklelio tobulinimą

Norint gauti tikslius rezultatus, būtina turėti pakankamai išgrynintą baigtinių elementų tinklelį, kad būtų galima analizuoti įtampos lauko erdvinį kitimą. Nors' nežinome, kur pasireikš dramatiškiausi įtampos lauko pokyčiai prieš skaičiavimus, galime leisti programinei įrangai pačiai nuspręsti, kur reikia mažesnių tinklelio elementų, pritaikydami prisitaikantį tinklelį.

Keletą kartų naudojome adaptyvų tinklelio tobulinimą, o rezultatai pateikti toliau esančioje lentelėje. Šie rezultatai buvo gauti kompiuteriu su 3,7 GHz aštuonių branduolių Xeon procesoriumi ir 64 GB atminties:

Iš aukščiau pateiktos lentelės galima daryti išvadą, kad galime pradėti nuo labai stambios tinklelio, o tada naudoti prisitaikantį tinklelio patobulinimą, kad gautume tikslesnę talpos vertę. Tačiau tai padidins atminties naudojimą ir pailgins sprendimo laiką. Procentinės talpos skirtumas yra geriausias tinkleliui.

Apskaičiuokite talpos matricą

Iki šiol mes sutelkėme dėmesį tik į dviejų masyvo elektrodų talpos apskaičiavimą. Tiesą sakant, tikimės, kad pavyks apskaičiuoti talpą tarp visų talpos matricos elektrodų, tai yra, talpos matricos. Simetrinė kvadratinė matrica apibrėžia ryšį tarp įtampos ir krūvio, taikomo visiems sistemos elektrodams. Sistemai, kurią sudaro n elektrodų ir įžeminimo, matrica yra tokia:

Šiuos įstrižainės ir neįstrižainės terminus automatiškai apskaičiuoja programinė įranga. Ši turinio dalis bus išsamiau aprašyta tolesniuose tinklaraščio įrašuose.

santrauka

Mes ištyrėme AC / DC modulio elektrostatinės modeliavimo funkcijos naudojimo pavyzdį, kad išspręstume talpinio jutiklinio ekrano įrenginį. Nors pateikimo tikslais geometrija yra supaprastinta, aprašyti metodai taip pat gali būti taikomi sudėtingesnėms struktūroms.

Sprendžiant tokio tipo baigtinių elementų modelį, labai svarbu ištirti reikiamo fizikinio dydžio konvergenciją (šiuo atveju dažniausiai kalbama apie talpą, palyginti su tinklelio patikslinimu). Adaptyvaus tinklelio tobulinimo funkcija labai pagerina modelio tikrinimo žingsnio automatizavimą.

Sprendžiant tokius didelius modelius, taip pat galite naudoti paskirstytosios lygiagrečios atminties sprendiklį, kad greičiau būtų sprendimo laikas. Žinoma, COMSOL Multiphysics ir jo AC/DC modulio funkcija neapsiriboja straipsnio įvadu, jį galite naudoti norėdami pasiekti daugiau funkcijų. Jei norite sužinoti daugiau, susisiekite su mumis.

Perspausdinta gavus leidimą iš http://cn.comsol.com/blogs/, originalus autorius Walter Frei.