تحليل محاكاة شاشة اللمس السعوية

تُستخدم تقنية شاشة اللمس في الهواتف المحمولة وأجهزة قراءة الكتب الإلكترونية وأجهزة الكمبيوتر وحتى المنتجات الإلكترونية الاستهلاكية مثل الساعات. تُستخدم بعض أشكال الاستشعار السعوي في عدد كبير من شاشات اللمس. دع&# 39؛ s نلقي نظرة على كيفية استخدام وحدة AC / DC في COMSOL Multiphysics لتحليل هذا النوع من أجهزة الاستشعار السعوية.

مقدمة في الاستشعار بالسعة

بالنسبة لأجهزة الاستشعار السعوية مثل تلك المستخدمة في الأجهزة ذات الشاشات التي تعمل باللمس ، فإنها تحتوي على عدد كبير من الأقطاب الكهربائية الموصلة المضمنة في مواد عازلة شفافة (مثل الزجاج أو حتى شاشات الياقوت). الأقطاب الكهربائية نفسها رفيعة جدًا ومصنوعة من مادة شبه شفافة تمامًا وغير مرئية للعين المجردة.

لنبدأ&بهيكل أساسي للغاية ، والذي يتضمن صفيفتي قطب كهربائي متقاطعتين بزاوية 90 درجة ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

يرجى ملاحظة أن شاشة اللمس الفعلية أكثر تعقيدًا مما رأيناه هنا ، لكن مهارات المحاكاة هي نفسها بشكل أساسي.

رسم تخطيطي مبسط للمكونات الأساسية في مستشعر شاشة اللمس السعوية (وليس مقياسًا)

عندما يتم تطبيق فرق الجهد بين أي قطبين أو أكثر ، يتم إنشاء مجال إلكتروستاتيكي. على الرغم من أن المجال الكهروستاتيكي هو الأقوى بين الأقطاب الكهربائية والمنطقة المحيطة بالأقطاب الكهربائية ، إلا أنه لا يزال يمتد مسافة معينة إلى الخارج. عندما يقترب جسم موصل (مثل الإصبع) من هذه المنطقة ، سيتغير المجال الكهربائي ، بحيث يمكن اكتشاف التغيير في السعة المجمعة بين القطبين النشطين. من خلال هذا الاختلاف في السعة نشعر بوضع الإصبع الذي يلمس الشاشة.

عندما يتم تطبيق فرق جهد بين بعض الأقطاب الكهربائية ، يمكن عزل الأقطاب الكهربائية الأخرى كهربيًا بشكل فردي ، أو توصيلها كهربيًا ككل ، ولكن لا تزال في حالة معزولة كهربائيًا. لذلك ، يمكن أن يكون لديهم إمكانات ثابتة ولكن غير معروفة.

تعد المحاكاة الصحيحة لهذه الأقطاب الكهربائية والأغلفة المعدنية المحيطة والأشياء العازلة الأخرى هي المفتاح لحساب تغيرات السعة. دع&نلقي نظرة على كيفية استخدام وظيفة وحدة التيار المتردد / التيار المستمر لتحقيق ذلك.

محاكاة جهاز الاستشعار السعوي في الساعة

لمثل هذا الجهاز الصغير نسبيًا ، يمكننا محاكاة الهيكل بأكمله ؛ حجم المستشعر 20 * 30 مم فقط ، والمسافة بين القطبين 1 مم. بالنسبة لشاشات اللمس الأكبر حجمًا ، فمن المعقول أن تأخذ في الاعتبار مساحة صغيرة فقط من الشاشة بأكملها.

مستشعر سعوي مدمج في القرص الزجاجي (شفاف). الحزام والحالة لأغراض التصور فقط.

كما هو مبين في الشكل أدناه ، فإن مجال المحاكاة هو منطقة أسطوانية. تحتوي هذه المنطقة على الشاشة الزجاجية والأصابع والهواء المحيط بالساعة. لدينا سبب للاعتقاد بأن تأثير حجم الهواء المحيط سينخفض ​​بسرعة مع زيادة الحجم.

تم استخدام شروط الحدود

هنا ، يتم تعيين حدود المجال الجوي كشرط بدون شحنة لمحاكاة الحدود كمساحة خالية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تعيين اثنين من الأقطاب الكهربائية المتوازية كظروف حد الأرض ، ومجال الجهد ثابت عند الصفر. تم تعيين اثنين من الأقطاب الرأسية كشرطين حدوديين ، والجهد هو قيمة ثابتة. ستحسب شروط الحدود النهائية السعة تلقائيًا. يتم محاكاة جميع الحدود الأخرى بواسطة شروط عائمة للحدود المحتملة.

تصور نموذج العناصر المحدودة. يتم محاكاة الإصبع (الرمادي) ، والدرع الكهربائي (البرتقالي) ، وجميع الأقطاب الكهربائية غير المهتمة (الحمراء والخضراء) من خلال حالة الحدود العائمة المحتملة. يتم تطبيق فرق جهد على القطبين (أبيض وأسود). جزء من الاتصال الهاتفي (سماوي) مخفي. جميع الأسطح الأخرى تستخدم شروط حد العزل الكهربائي (أزرق). الهواء والقرص متداخلة الحجم. من أجل الوضوح ، يتم عرض جزء فقط من سطح الشبكة.

يتم استخدام شرط الحدود العائمة المحتملة لتمثيل مجموعة من الأسطح التي يمكن إعادة توزيع الشحنة عليها بحرية. الغرض من الإعداد هو محاكاة حدود كائن بإمكانية ثابتة ولكنها غير معروفة. هذا هو نتيجة تطبيق مجال كهرباء خارجي.

يُستخدم هذا النوع من حالة الحدود العائمة المحتملة على عدة مجموعات من الأسطح ، مثل السطح السفلي للساعة ، والذي يمثل الحماية الكهربائية أسفل العلبة الزجاجية. تعتبر الأقطاب الكهربائية غير المثارة حاليًا جزءًا من حالة حدية عائمة واحدة محتملة (على افتراض أن جميع الأقطاب الكهربائية متصلة معًا كهربائيًا). لاحظ أنه يمكن استخدام خيار المجموعة المحتملة العائمة للسماح لكل حد مستقل ماديًا بالطفو إلى جهد ثابت مختلف. من الممكن أيضًا دمج أقطاب كهربائية من أي مجموعة في نفس المجموعة لتوصيلها معًا كهربائيًا.

تستخدم حدود الإصبع (عند تضمينها في النموذج) أيضًا حالة الحدود العائمة المحتملة. من المفترض أن جسم الإنسان موصل جيد نسبيًا بالنسبة إلى طبقات الهواء والعازل.

المواد المستخدمة

يتم استخدام مادتين مختلفتين فقط هنا. يتم استخدام مواد الهواء المحددة مسبقًا في معظم المجالات ، ويتم تعيين ثابت العزل على 1. تستخدم الشاشة مادة زجاجية كوارتز مسبقة الضبط لمنحها ثابت عازل أعلى.

على الرغم من أن الغربال نفسه عبارة عن بنية شطيرة مكونة من مواد مختلفة ، يمكننا أن نفترض أن جميع الطبقات لها نفس خصائص المواد. لذلك ، ليست هناك حاجة لنمذجة كل حد بينهما بشكل صريح ؛ يتم التعامل مع جميع الطبقات كمجال واحد.

تصور لون لوغاريتم قيمة المجال الكهربائي. نظرًا لأن الإصبع يُنظر إليه على أنه جهد عائم ، فيمكن تجاهل مجاله الكهربائي الداخلي.

تم الحصول على الحل الدقيق باستخدام تحسين الشبكة التكيفية

للحصول على نتائج دقيقة ، من الضروري أن يكون لديك شبكة عناصر محدودة مصقولة بدرجة كافية لتحليل التباين المكاني لمجال الجهد. على الرغم من أننا لا نعرف أين ستظهر التغييرات الأكثر دراماتيكية في مجال الجهد قبل العمليات الحسابية ، يمكننا أن ندع البرنامج يقرر بنفسه المكان الذي تحتاج إليه خلايا الشبكة الأصغر من خلال تحسين الشبكة التكيفية.

استخدمنا تحسين الشبكة التكيفية عدة مرات ، وتظهر النتائج في الجدول أدناه. تم الحصول على هذه النتائج على جهاز كمبيوتر تم تكوينه باستخدام معالج Xeon ثماني النواة بسرعة 3.7 جيجاهرتز وذاكرة 64 جيجابايت:

يمكن الاستدلال من الجدول أعلاه أنه يمكننا البدء بشبكة خشنة جدًا ثم استخدام تحسين الشبكة التكيفية للحصول على قيمة سعة أكثر دقة. ومع ذلك ، سيؤدي القيام بذلك إلى زيادة استخدام الذاكرة وإطالة وقت الحل. الفرق في نسبة السعة هو أفضل شبكة.

احسب مصفوفة السعة

حتى الآن ، ركزنا فقط على حساب السعة بين القطبين في المصفوفة. في الواقع ، نأمل أن نتمكن من حساب السعة بين جميع الأقطاب الكهربائية في مصفوفة السعة ، أي مصفوفة السعة. تحدد المصفوفة المربعة المتماثلة العلاقة بين الجهد والشحنة المطبقة على جميع الأقطاب الكهربائية في النظام. بالنسبة لنظام يتكون من عدد n من الأقطاب الكهربائية والأرض ، تكون المصفوفة:

يتم حساب هذه المصطلحات القطرية وغير القطرية تلقائيًا بواسطة البرنامج. سيتم وصف هذا الجزء من المحتوى بمزيد من التفصيل في منشورات المدونة اللاحقة.

ملخص

درسنا مثالاً لاستخدام وظيفة المحاكاة الكهروستاتيكية لوحدة التيار المتردد / التيار المستمر لحل جهاز شاشة اللمس السعوية. على الرغم من أن الهندسة مبسطة لأغراض العرض ، يمكن أيضًا تطبيق التقنيات الموصوفة على الهياكل الأكثر تعقيدًا.

عند حل هذا النوع من نموذج العناصر المحدودة ، من المهم جدًا دراسة تقارب الكمية المادية المطلوبة (في هذه الحالة ، عادةً ما تكون حالة السعة بالنسبة إلى تحسين الشبكة). تعمل وظيفة تحسين الشبكة التكيفية على تحسين أتمتة خطوة التحقق من النموذج بشكل كبير.

عند حل مثل هذه النماذج الكبيرة ، يمكنك أيضًا استخدام أداة حل الذاكرة المتوازية الموزعة للحصول على وقت حل أسرع. بالطبع ، لا تقتصر وظيفة COMSOL Multiphysics ووحدة AC / DC الخاصة بها على المقدمة في المقالة ، يمكنك استخدامها لتحقيق المزيد من الوظائف. إذا كنت تريد معرفة المزيد ، يرجى الاتصال بنا.

أعيد طبعها بإذن من http://cn.comsol.com/blogs/ ، المؤلف الأصلي Walter Frei.