تجزیه و تحلیل صفحات لمسی خازنی در لوازم الکترونیکی مصرفی

لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفن ها، کتابخوان های الکترونیکی، رایانه ها و حتی ساعت های مچی همگی از فناوری صفحه لمسی استفاده می کنند. بسیاری از این صفحات لمسی از نوعی حسگر خازنی استفاده می کنند. بیایید نگاهی به نحوه تجزیه و تحلیل چنین حسگر خازنی با استفاده از نرم افزار COMSOL Multiphysics® و ماژول AC/DC الحاقی بیندازیم.

مقدمه ای کوتاه بر حسگر خازنی

حسگرهای خازنی، مانند آن‌هایی که در دستگاه‌های صفحه لمسی یافت می‌شوند، از الکترودهای رسانای متعددی تشکیل شده‌اند که درون یک ماده دی‌الکتریک شفاف (یک شیشه یا حتی یک صفحه نمایش یاقوت کبود) تعبیه شده‌اند. خود الکترودها بسیار نازک هستند و از موادی تقریباً کاملاً شفاف ساخته شده اند و با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند.

بیایید با در نظر گرفتن یک پیکربندی بسیار ابتدایی شروع کنیم که شامل دو آرایه الکترود است که در 90 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

توجه داشته باشید که صفحات لمسی واقعی بسیار پیچیده‌تر از آنچه در اینجا نشان خواهیم داد، هستند، اما تکنیک‌های مدل‌سازی اساساً یکسان خواهند بود.

شماتیک ساده شده از بخش های کلیدی یک حسگر صفحه لمسی خازنی (نه در مقیاس).

زمانی که اختلاف ولتاژی بین هر دو یا چند الکترود اعمال شود، میدان الکترواستاتیک ایجاد می‌شود. اگرچه میدان در ناحیه بین و اطراف الکترودها بالاترین میزان را دارد، اما تا حدودی دورتر می شود. هنگامی که یک جسم رسانا (مانند یک انگشت) به این ناحیه نزدیک می شود، میدان ها تغییر می کنند و می توان تغییر ظرفیت خازنی حاصل را بین دو الکترود فعال حس کرد. این تفاوت در ظرفیت است که می تواند برای حس کردن موقعیت انگشت در تماس با صفحه استفاده شود.

در حالی که یک زیرمجموعه از الکترودها دارای اختلاف پتانسیل اعمال می‌شوند، الکترودهای دیگر یا هر کدام به صورت جداگانه از نظر الکتریکی ایزوله می‌شوند یا همگی از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل می‌شوند – اما همچنان از نظر الکتریکی ایزوله می‌شوند. بنابراین، آنها در یک پتانسیل ثابت اما ناشناخته خواهند بود.

مدل‌سازی صحیح این الکترودها و همچنین محفظه‌های فلزی اطراف و سایر اجسام دی الکتریک، کلید محاسبه تغییرات خازن است. بیایید نگاهی به نحوه انجام این کار با استفاده از قابلیت‌های ماژول AC/DC بیندازیم .

مدل سنسور خازنی در ساعت مچی

برای این دستگاه نسبتاً کوچک، می‌توانیم به طور منطقی کل ساختار را مدل کنیم. اندازه سنسور تنها 20 در 30 میلی متر است و فاصله بین الکترودها 1 میلی متر است. برای صفحه نمایش های لمسی بزرگتر، معقول تر است که فقط بخش کوچکی از کل صفحه را در نظر بگیرید.

یک سنسور خازنی در صفحه ساعت شیشه ای (واضح) تعبیه شده است. مچ بند و قاب ساعت فقط برای مصورسازی هستند.

همانطور که در شکل های زیر نشان داده شده است، حوزه مدل سازی یک منطقه استوانه ای است. این ناحیه صفحه نمایش شیشه ای، انگشت و حجم هوای اطراف ساعت را در بر می گیرد. منطقی است که استدلال کنیم که اثر اندازه حجم هوای اطراف با افزایش اندازه به سرعت کاهش می یابد .

شرایط مرزی مورد استفاده

در اینجا، مرزهای حجم هوا بر روی شرایط شارژ صفر تنظیم می‌شوند و از مرز تا فضای آزاد تقلید می‌کنند. علاوه بر این، یکی از الکترودهای پایینی روی شرایط مرزی زمین تنظیم می شود و ولتاژ را روی صفر ثابت می کند. شرط مرزی ترمینال روی یکی از الکترودهای لایه بالایی اعمال می شود که آن را روی یک ولتاژ ثابت ثابت می کند. شرط مرزی ترمینال نیز به طور خودکار ظرفیت این الکترود را محاسبه می کند. تمام مرزهای الکترود دیگر از طریق شرایط مرزی پتانسیل شناور مدل‌سازی می‌شوند .

تجسم مدل المان محدود انگشت (خاکستری)، محافظ الکتریکی (نارنجی)، و تمام الکترودهای تحریک نشده (قرمز و سبز) با شرایط مرزی پتانسیل شناور مدل‌سازی شده‌اند. دو الکترود (سفید و سیاه) اختلاف پتانسیل اعمال شده دارند. صفحه ساعت (فیروزه ای) تا حدی پنهان است. شرایط مرزی عایق الکتریکی (آبی) در تمام سطوح دیگر استفاده می شود. هوا و صفحه ساعت حجمی مشبک هستند. برای وضوح، مش فقط در برخی از سطوح نشان داده شده است.

شرط مرزی پتانسیل شناور برای نشان دادن مجموعه‌ای از سطوح استفاده می‌شود که بار می‌تواند آزادانه خود را دوباره توزیع کند. این شرط برای شبیه سازی مرزهای جسمی است که در یک پتانسیل الکتریکی ثابت اما ناشناخته قرار دارد. این نتیجه یک میدان الکترواستاتیک خارجی اعمال شده است.

چندین گروه از چهره‌ها از این شرایط مرزی بالقوه شناور استفاده می‌کنند ، مانند صفحه پایین ساعت، که نمایانگر محافظ الکتریکی زیر پوشش شیشه‌ای است. الکترودهایی که در حال حاضر برانگیخته نمی شوند بخشی از یک شرط مرزی پتانسیل شناور واحد هستند (با این فرض که همه آنها به صورت الکتریکی متصل هستند). توجه داشته باشید که این امکان وجود دارد که از گزینه Floating Potential Group استفاده کنید تا به هر مرز فیزیکی مجزا اجازه دهید تا به یک ولتاژ ثابت متفاوت شناور شود. همچنین اتصال الکتریکی هر مجموعه ای از الکترودها به سادگی با تبدیل آنها به یک گروه امکان پذیر است .

مرزهای انگشت (زمانی که در مدل گنجانده شده است) نیز دارای شرایط مرزی بالقوه شناور هستند. این با این فرض است که بدن انسان در مقایسه با لایه های هوا و دی الکتریک رسانای نسبتا خوبی است.

مواد استفاده شده

فقط دو ماده مختلف در اینجا استفاده می شود. متریال هوای داخلی برای اکثر دامنه ها اعمال می شود و گذردهی را روی یکپارچگی تنظیم می کند. از جنس شیشه کوارتز داخلی برای اختصاص گذردهی بالاتر به صفحه نمایش استفاده می شود.

اگرچه صفحه نمایش خود ساندویچی از مواد مختلف است، اما می‌توان فرض کرد که همه لایه‌ها دارای خواص مواد یکسانی هستند. از این رو، ما نیازی به مدل سازی صریح مرزهای بین آنها نداریم. تمام لایه های مختلف به عنوان یک دامنه واحد در نظر گرفته می شوند.

تجسم رنگی ثبت قدر میدان الکتریکی. از آنجایی که انگشت به عنوان یک پتانسیل شناور در نظر گرفته می شود، میدان داخل آن حذف می شود.

راه حل های دقیق با استفاده از اصلاح مش تطبیقی

نتایج دقیق به داشتن یک شبکه المان محدود بستگی دارد که به اندازه کافی خوب باشد تا تغییرات فضایی در میدان ولتاژ را حل کند. اگرچه ما از قبل نمی دانیم که تغییرات قوی در این زمینه کجا خواهد بود، می توانیم از اصلاح مش تطبیقی ​​استفاده کنیم تا به نرم افزار اجازه دهیم تعیین کند که عناصر کوچکتر در کجا مورد نیاز است.

چندین سطح از پالایش مش تطبیقی ​​استفاده می شود و نتایج در جدول زیر ارائه شده است. آنها بر روی یک پردازنده هشت هسته ای Intel® Xeon® با فرکانس 3.7 گیگاهرتز، با 64 گیگابایت رم تولید شدند:

از جدول بالا، می‌توان نتیجه گرفت که می‌توانیم با یک مش بسیار درشت شروع کنیم و از پالایش مش تطبیقی ​​برای به دست آوردن مقدار دقیق‌تر ظرفیت خازن استفاده کنیم. این را می توان با هزینه افزایش استفاده از حافظه و زمان راه حل انجام داد. درصد اختلاف در ظرفیت ها با پالایش شده ترین مورد مقایسه می شود.

محاسبه ماتریس ظرفیت

تا اینجا، ما فقط به محاسبه ظرفیت بین دو الکترود در آرایه نگاه کردیم. در عمل، ما می خواهیم ظرفیت بین تمام الکترودها را محاسبه کنیم: ماتریس ظرفیت . این ماتریس متقارن مربعی رابطه بین ولتاژ اعمال شده و بار روی الکترودهای سیستم را تعریف می کند. برای سیستمی متشکل از n الکترود و یک زمین، ماتریس به صورت زیر است:

اجزای مورب این ماتریس با گرفتن انتگرال چگالی انرژی الکتریکی در تمام حوزه ها محاسبه می شوند:

جایی که

عبارات خارج از مورب توسط:

جایی که

این اصطلاحات مورب و خارج از مورب به طور خودکار توسط نرم افزار محاسبه می شوند – اما در مورد آن در پست بعدی وبلاگ.

خلاصه

ما به نمونه ای از یک دستگاه صفحه لمسی خازنی نگاه کرده ایم که با استفاده از قابلیت های مدل سازی الکترواستاتیک ماژول AC/DC حل شده است. اگرچه هندسه برای اهداف ارائه ساده شده بود، تکنیک های ذکر شده در اینجا می توانند برای ساختارهای پیچیده تر استفاده شوند.

هنگام حل چنین مدل های اجزای محدود، مطالعه همگرایی مقادیر مورد نظر (در این مورد، معمولاً ظرفیت با توجه به پالایش مش) همیشه مهم خواهد بود. عملکرد اصلاح مش تطبیقی ​​این مرحله اعتبارسنجی مدل را تا حد زیادی خودکار می کند.

هنگام حل چنین مدل های بزرگی، می توانید از حل کننده موازی حافظه توزیع شده برای زمان های حل سریع تر نیز بهره مند شوید. البته، کارهایی که می توانید با COMSOL Multiphysics و ماژول AC/DC انجام دهید بسیار بیشتر از آنچه در اینجا پوشش داده شده است وجود دارد.