Dadansoddiad Efelychu Sgrin Gyffwrdd Capacitive

Defnyddir technoleg sgrin gyffwrdd mewn ffonau symudol, darllenwyr e-lyfrau, cyfrifiaduron, a hyd yn oed cynhyrchion electronig defnyddwyr fel oriorau. Defnyddir rhyw fath o synhwyro capacitive mewn nifer fawr o sgriniau cyffwrdd. Gadewch i' s edrych ar sut i ddefnyddio modiwl AC / DC o COMSOL Multiphysics i ddadansoddi'r math hwn o synhwyrydd capacitive.

Cyflwyniad i Synhwyro Capacitive

Ar gyfer synwyryddion capacitive fel y rhai a ddefnyddir mewn dyfeisiau sgrin gyffwrdd, maent yn cynnwys nifer fawr o electrodau dargludol wedi'u hymgorffori mewn deunyddiau dielectrig tryloyw (fel gwydr neu sgriniau saffir hyd yn oed). Mae'r electrodau eu hunain yn denau iawn, wedi'u gwneud o ddeunydd bron yn hollol dryloyw, ac yn anweledig i'r llygad noeth.

Gadewch i' s ddechrau gyda strwythur sylfaenol iawn, sy'n cynnwys dau arae electrod yn croestorri ar ongl 90 °, fel y dangosir yn y ffigur isod.

Sylwch fod y sgrin gyffwrdd wirioneddol yn fwy cymhleth na'r hyn a welsom yma, ond mae'r sgiliau efelychu yr un peth yn y bôn.

Diagram sgematig wedi'i symleiddio o'r cydrannau craidd yn y synhwyrydd sgrin gyffwrdd capacitive (nid i raddfa)

Pan gymhwysir gwahaniaeth foltedd rhwng unrhyw ddau electrod neu fwy, cynhyrchir maes electrostatig. Er bod y maes electrostatig ar ei gryfaf rhwng yr electrodau a'r ardal o amgylch yr electrodau, mae'n dal i ymestyn pellter penodol tuag allan. Pan fydd gwrthrych dargludol (fel bys) yn agosáu at yr ardal hon, bydd y maes trydan yn newid, fel y gellir canfod y newid yn y cynhwysedd cyfun rhwng y ddau electrod gweithredol. Trwy'r gwahaniaeth cynhwysedd hwn yr ydym yn synhwyro lleoliad y bys sy'n cyffwrdd â'r sgrin.

Pan gymhwysir gwahaniaeth posibl rhwng rhai o'r electrodau, gellir inswleiddio'r electrodau eraill yn drydanol yn unigol, neu eu cysylltu'n drydanol yn eu cyfanrwydd, ond yn dal i fod mewn cyflwr wedi'i inswleiddio'n drydanol. Felly, gallant fod â photensial cyson ond anhysbys.

Yr efelychiad cywir o'r electrodau hyn, cregyn metel o'u cwmpas, a gwrthrychau dielectrig eraill yw'r allwedd i gyfrifo newidiadau cynhwysedd. Gadewch i' s edrych ar sut i ddefnyddio swyddogaeth y modiwl AC / DC i gyflawni hyn.

Efelychwch y synhwyrydd capacitive mewn oriawr

Ar gyfer dyfais mor fach, gallwn efelychu'r strwythur cyfan; dim ond 20 * 30 mm yw maint y synhwyrydd, a'r pellter rhwng y ddau electrod yw 1 mm. Ar gyfer sgriniau cyffwrdd mwy, mae'n fwy rhesymol ystyried dim ond rhan fach o'r sgrin gyfan.

Synhwyrydd capacitive wedi'i ymgorffori yn y deial gwydr (tryloyw). Mae'r strap a'r achos at ddibenion delweddu yn unig.

Fel y dangosir yn y ffigur isod, mae'r parth efelychu yn ardal silindrog. Mae'r ardal hon yn cynnwys y sgrin wydr, y bysedd, a'r aer o amgylch yr oriawr. Mae gennym reswm i gredu y bydd dylanwad maint yr aer o'i amgylch yn lleihau'n gyflym wrth i'r maint gynyddu.

Amodau ffiniau a ddefnyddir

Yma, mae ffin y parth aer wedi'i osod fel amod di-dâl i efelychu'r ffin fel gofod rhydd. Yn ogystal, mae dau o'r electrodau cyfochrog wedi'u gosod fel amodau ffiniau daear, ac mae'r maes foltedd yn sefydlog ar sero. Mae dau o'r electrodau fertigol wedi'u gosod fel amodau terfyn terfynell, ac mae'r foltedd yn werth cyson. Bydd amodau ffiniau'r derfynell yn cyfrifo'r cynhwysedd yn awtomatig. Mae'r holl ffiniau eraill yn cael eu efelychu gan amodau ffiniau posib arnofiol.

Delweddwch y model elfen gyfyngedig. Mae'r bys (llwyd), y darian drydan (oren), a'r holl electrodau heb eu hecsbloetio (coch a gwyrdd) yn cael eu hefelychu gan y cyflwr terfyn potensial arnofio. Rhoddir gwahaniaeth potensial i'r ddau electrod (gwyn a du). Mae rhan o'r deial (cyan) wedi'i guddio. Mae pob arwyneb arall yn defnyddio amodau ffiniau inswleiddio trydanol (glas). Mae'r aer a'r deialu wedi'u cymysgu â chyfaint. Er mwyn eglurder, dim ond rhan o arwyneb y grid sy'n cael ei ddangos.

Defnyddir yr amod ffin potensial arnofio i gynrychioli set o arwynebau lle gellir ailddosbarthu gwefr yn rhydd. Pwrpas y lleoliad yw efelychu ffin gwrthrych sydd â photensial cyson ond anhysbys. Dyma ganlyniad cymhwyso maes electrostatig allanol.

Defnyddir y math hwn o gyflwr ffin potensial arnofio ar sawl set o arwynebau, megis wyneb gwaelod oriawr, sy'n cynrychioli'r cysgodi trydanol o dan yr achos gwydr. Mae'r electrodau nad ydyn nhw wedi'u cyffroi ar hyn o bryd yn rhan o un cyflwr ffin potensial arnofio (gan dybio bod yr holl electrodau wedi'u cysylltu'n drydanol gyda'i gilydd). Sylwch y gellir defnyddio'r opsiwn grŵp potensial fel y bo'r angen i ganiatáu i bob ffin gorfforol annibynnol arnofio i foltedd cyson gwahanol. Mae hefyd yn bosibl cyfuno electrodau o unrhyw gyfuniad i'r un grŵp i'w cysylltu â'i gilydd yn drydanol.

Mae ffin y bys (pan gaiff ei chynnwys yn y model) hefyd yn defnyddio'r cyflwr ffin potensial arnofio. Tybir bod y corff dynol yn ddargludydd cymharol dda o'i gymharu â haenau aer a dielectrig.

Deunyddiau a ddefnyddir

Dau ddeunydd gwahanol yn unig a ddefnyddir yma. Defnyddir deunyddiau aer rhagosodedig yn y rhan fwyaf o barthau, ac mae'r cysonyn dielectrig wedi'i osod i 1. Mae'r sgrin yn defnyddio deunydd gwydr cwarts rhagosodedig i roi cysonyn dielectrig uwch iddo.

Er bod y sgrin ei hun yn strwythur rhyngosod sy'n cynnwys gwahanol ddefnyddiau, gallwn dybio bod gan bob haen yr un priodweddau materol. Felly, nid oes angen modelu pob ffin rhyngddynt yn benodol; mae pob haen yn cael ei thrin fel un parth.

Delweddwch liw logarithm gwerth y maes trydan. Gan fod y bys yn cael ei ystyried yn botensial arnofio, gellir anwybyddu ei faes trydan mewnol.

Datrysiad union a gafwyd trwy ddefnyddio mireinio rhwyll addasol

I gael canlyniadau cywir, mae angen cael grid elfen gyfyngedig wedi'i fireinio'n ddigonol i ddadansoddi amrywiad gofodol y maes foltedd. Er nad ydym yn gwybod' t ble y bydd y newidiadau mwyaf dramatig yn y maes foltedd yn ymddangos cyn cyfrifiadau, gallwn adael i'r feddalwedd benderfynu ar ei ben ei hun lle mae angen celloedd grid llai trwy fireinio rhwyll addasol.

Fe ddefnyddion ni fireinio rhwyll addasol sawl gwaith, a dangosir y canlyniadau yn y tabl isod. Cafwyd y canlyniadau hyn ar gyfrifiadur wedi'i ffurfweddu gyda phrosesydd Xeon wyth-graidd 3.7 GHz a 64 GB o gof:

Gellir casglu o'r tabl uchod y gallwn ddechrau gyda rhwyll bras iawn ac yna defnyddio mireinio rhwyll addasol i gael gwerth cynhwysedd mwy cywir. Fodd bynnag, bydd gwneud hynny yn cynyddu'r defnydd o gof ac yn ymestyn amser datrysiad. Mae'r gwahaniaeth yng nghanran y cynhwysedd ar gyfer y rhwyll orau.

Cyfrifwch y matrics cynhwysedd

Hyd yn hyn, rydym wedi canolbwyntio ar gyfrifo'r cynhwysedd rhwng y ddau electrod yn yr arae yn unig. Mewn gwirionedd, rydym yn gobeithio gallu cyfrifo'r cynhwysedd rhwng yr holl electrodau yn yr arae cynhwysedd, hynny yw, y matrics cynhwysedd. Mae'r matrics sgwâr cymesur yn diffinio'r berthynas rhwng y foltedd a'r gwefr a roddir ar bob electrod yn y system. Ar gyfer system sy'n cynnwys n electrodau a daear, y matrics yw:

Mae'r termau croeslin ac an-groeslinol hyn yn cael eu cyfrif yn awtomatig gan y meddalwedd. Bydd y rhan hon o'r cynnwys yn cael ei disgrifio'n fanylach mewn postiadau blog dilynol.

crynodeb

Gwnaethom astudio enghraifft o ddefnyddio swyddogaeth efelychu electrostatig y modiwl AC / DC i ddatrys dyfais sgrin gyffwrdd capacitive. Er bod y geometreg wedi'i symleiddio at ddibenion cyflwyno, gellir cymhwyso'r technegau a ddisgrifir hefyd i strwythurau mwy cymhleth.

Wrth ddatrys y math hwn o fodel elfen gyfyngedig, mae'n bwysig iawn astudio cydgyfeiriant y maint corfforol gofynnol (yn yr achos hwn, fel rheol mae'n achos cynhwysedd o'i gymharu â mireinio rhwyll). Mae'r swyddogaeth mireinio rhwyll addasol yn gwella awtomeiddio'r cam dilysu model yn fawr.

Wrth ddatrys modelau mor fawr, gallwch hefyd ddefnyddio'r datryswr cof cyfochrog dosranedig i gael amser datrysiad cyflymach. Wrth gwrs, nid yw swyddogaeth COMSOL Multiphysics a'i fodiwl AC / DC wedi'i gyfyngu i'r cyflwyniad yn yr erthygl, gallwch ei ddefnyddio i gyflawni mwy o swyddogaethau. Os ydych chi eisiau gwybod mwy, cysylltwch â ni.

Ailargraffwyd gydag awdurdodiad gan http://cn.comsol.com/blogs/, yr awdur gwreiddiol Walter Frei.