ניתוח סימולציה של מסך מגע קיבולי

טכנולוגיית מסך מגע משמשת בטלפונים ניידים, קוראי ספרים אלקטרוניים, מחשבים ואפילו מוצרי צריכה אלקטרוניים כגון שעונים. צורה כלשהי של חישה קיבולית משמשת במספר רב של מסכי מגע. תן's להסתכל כיצד להשתמש במודול AC/DC של COMSOL Multiphysics כדי לנתח סוג זה של חיישן קיבולי.

מבוא לחישה קיבולית

עבור חיישנים קיבוליים כמו אלה המשמשים במכשירי מסך מגע, הם מכילים מספר רב של אלקטרודות מוליכות המוטבעות בחומרים דיאלקטריים שקופים (כגון מסכי זכוכית או אפילו ספיר). האלקטרודות עצמן דקות מאוד, עשויות מחומר שקוף כמעט לחלוטין, ואינן נראות לעין בלתי מזוינת.

תנו ל-& #39;s להתחיל עם מבנה בסיסי מאוד, הכולל שני מערכי אלקטרודות המצטלבים בזווית של 90°, כפי שמוצג באיור למטה.

שימו לב שמסך המגע בפועל מסובך יותר ממה שראינו כאן, אבל כישורי הסימולציה הם בעצם זהים.

דיאגרמה סכמטית פשוטה של ​​רכיבי הליבה בחיישן מסך המגע הקיבולי (לא בקנה מידה)

כאשר מופעל הפרש מתח בין שתי אלקטרודות או יותר, נוצר שדה אלקטרוסטטי. למרות שהשדה האלקטרוסטטי הוא החזק ביותר בין האלקטרודות לאזור המקיף את האלקטרודות, הוא עדיין משתרע למרחק מסוים כלפי חוץ. כאשר חפץ מוליך (כגון אצבע) מתקרב לאזור זה, השדה החשמלי ישתנה, כך שניתן יהיה לזהות את השינוי בקיבול המשולב בין שתי האלקטרודות הפעילות. באמצעות הבדל הקיבול הזה אנו חשים את מיקום האצבע שנוגעת במסך.

כאשר מופעל הפרש פוטנציאל בין חלק מהאלקטרודות, האלקטרודות האחרות יכולות להיות מבודדות חשמלית בנפרד, או מחוברות חשמלית כמכלול, אך עדיין במצב מבודד חשמלי. לכן, יכול להיות להם פוטנציאל קבוע אך לא ידוע.

ההדמיה הנכונה של האלקטרודות הללו, קליפות מתכת שמסביב וחפצים דיאלקטריים אחרים היא המפתח לחישוב שינויי קיבול. תן's להסתכל כיצד להשתמש בפונקציה של מודול AC/DC כדי להשיג זאת.

הדמה את החיישן הקיבולי בשעון

עבור מכשיר קטן יחסית, אנחנו יכולים לדמות את כל המבנה; גודל החיישן הוא רק 20 * 30 מ"מ, והמרחק בין שתי האלקטרודות הוא 1 מ"מ. עבור מסכי מגע גדולים יותר, סביר יותר לשקול רק שטח קטן של המסך כולו.

חיישן קיבולי מוטבע בחוגת הזכוכית (שקוף). הרצועה והמארז מיועדים למטרות הדמיה בלבד.

כפי שמוצג באיור למטה, תחום הסימולציה הוא אזור גלילי. אזור זה מכיל את מסך הזכוכית, האצבעות והאוויר סביב השעון. יש לנו סיבה להאמין שהשפעת גודל האוויר הסובב תקטן במהירות ככל שהגודל יגדל.

תנאי גבול בשימוש

כאן, הגבול של תחום האוויר נקבע כתנאי טעינה אפס כדי לדמות את הגבול כמרחב פנוי. בנוסף, שתיים מהאלקטרודות המקבילות מוגדרות כתנאי גבול קרקע, ושדה המתח קבוע באפס. שתיים מהאלקטרודות האנכיות מוגדרות כתנאי גבול טרמינליים, והמתח הוא ערך קבוע. תנאי הגבול הטרמינלים יחשבו אוטומטית את הקיבול. כל שאר הגבולות מדומים על ידי תנאי גבול פוטנציאליים צפים.

דמיינו את מודל האלמנטים הסופיים. האצבע (אפורה), המגן החשמלי (כתום), וכל האלקטרודות הלא נרגשות (אדומות וירוקות) מדומים על ידי מצב הגבול הפוטנציאלי הצף. הפרש פוטנציאל מוחל על שתי האלקטרודות (לבן ושחור). חלק מהחוגה (ציאן) מוסתר. כל שאר המשטחים משתמשים בתנאי גבול של בידוד חשמלי (כחול). האוויר והחוגה מרושתים בנפח. למען הבהירות, מוצג רק חלק ממשטח הרשת.

תנאי הגבול הפוטנציאלי הצף משמש לייצוג קבוצה של משטחים שעליהם ניתן לחלק מחדש מטען בחופשיות. מטרת ההגדרה היא לדמות את הגבול של אובייקט בעל פוטנציאל קבוע אך לא ידוע. זוהי תוצאה של הפעלת שדה אלקטרוסטטי חיצוני.

סוג זה של מצב גבול פוטנציאלי צף משמש במספר קבוצות של משטחים, כגון המשטח התחתון של שעון, המייצג את המיגון החשמלי מתחת למארז הזכוכית. האלקטרודות שאינן נרגשות כעת הן חלק מתנאי גבול פוטנציאל צף בודד (בהנחה שכל האלקטרודות מחוברות חשמלית יחד). שימו לב שניתן להשתמש באפשרות קבוצת הפוטנציאל הצף כדי לאפשר לכל גבול עצמאי פיזית לצוף למתח קבוע שונה. אפשר גם לשלב אלקטרודות מכל שילוב לאותה קבוצה כדי לחבר אותן באופן חשמלי.

גבול האצבע (כאשר נכלל במודל) משתמש גם במצב הגבול הפוטנציאלי הצף. ההנחה היא שגוף האדם הוא מוליך טוב יחסית לשכבות האוויר והדיאלקטריות.

חומרים בשימוש

רק שני חומרים שונים משמשים כאן. חומרי אוויר מוגדרים מראש משמשים ברוב התחומים, והקבוע הדיאלקטרי מוגדר ל-1. המסך משתמש בחומר זכוכית קוורץ מוגדר מראש כדי לתת לו קבוע דיאלקטרי גבוה יותר.

למרות שהמסך עצמו הוא מבנה סנדוויץ' המורכב מחומרים שונים, אפשר להניח שלכל השכבות אותן תכונות חומר. לכן, אין צורך לדגמן במפורש כל גבול ביניהם; כל השכבות מטופלות כתחום יחיד.

דמיינו את צבע הלוגריתם של ערך השדה החשמלי. מכיוון שהאצבע נתפסת כפוטנציאל צף, ניתן להתעלם מהשדה החשמלי הפנימי שלה.

פתרון מדויק המתקבל באמצעות חידוד רשת אדפטיבית

כדי להשיג תוצאות מדויקות, יש צורך ברשת אלמנטים סופית מעודנת מספיק כדי לנתח את הווריאציה המרחבית של שדה המתח. למרות שאיננו יודעים היכן יופיעו השינויים הדרמטיים ביותר בשדה המתח לפני החישובים, אנו יכולים לתת לתוכנה להחליט בעצמה היכן נחוצים תאי רשת קטנים יותר באמצעות חידוד רשת אדפטיבית.

השתמשנו בחידוד רשת אדפטיבית מספר פעמים, והתוצאות מוצגות בטבלה למטה. תוצאות אלו התקבלו במחשב המוגדר עם מעבד Xeon 3.7 גיגה-הרץ שמונה ליבות וזיכרון של 64 גיגה-בייט:

ניתן להסיק מהטבלה לעיל שאנו יכולים להתחיל עם רשת גסה מאוד ולאחר מכן להשתמש בחידוד רשת אדפטיבית כדי לקבל ערך קיבול מדויק יותר. עם זאת, פעולה זו תגדיל את השימוש בזיכרון ותאריך את זמן הפתרון. ההבדל באחוז הקיבול הוא עבור הרשת העדינה ביותר.

חשב את מטריצת הקיבול

עד כה, התמקדנו רק בחישוב הקיבול בין שתי האלקטרודות במערך. למעשה, אנו מקווים שנוכל לחשב את הקיבול בין כל האלקטרודות במערך הקיבול, כלומר מטריצת הקיבול. המטריצה ​​המרובעת הסימטרית מגדירה את הקשר בין המתח והמטען המופעל על כל האלקטרודות במערכת. עבור מערכת המורכבת מ-n אלקטרודות ואדמה, המטריצה ​​היא:

מונחים אלכסוניים ולא אלכסוניים אלו מחושבים אוטומטית על ידי התוכנה. חלק זה של התוכן יתואר ביתר פירוט בפוסטים הבאים בבלוג.

סיכום

למדנו דוגמה לשימוש בפונקציית הסימולציה האלקטרוסטטית של מודול AC/DC כדי לפתור התקן מסך מגע קיבולי. למרות שהגיאומטריה מפושטת למטרות הצגה, ניתן ליישם את הטכניקות המתוארות גם על מבנים מורכבים יותר.

כאשר פותרים סוג זה של מודל אלמנטים סופיים, חשוב מאוד ללמוד את ההתכנסות של הכמות הפיזיקלית הנדרשת (במקרה זה, בדרך כלל מדובר בקיבול ביחס לעידון הרשת). פונקציית חידוד הרשת האדפטיבית משפרת מאוד את האוטומציה של שלב אימות הדגם.

בעת פתרון דגמים גדולים כל כך, אתה יכול גם להשתמש בפותר הזיכרון המקבילי המבוזר כדי לקבל זמן פתרון מהיר יותר. כמובן, הפונקציה של COMSOL Multiphysics ומודול AC/DC שלה לא מוגבלת למבוא במאמר, אתה יכול להשתמש בו כדי להשיג פונקציות נוספות. אם אתה רוצה לדעת יותר, אנא צור איתנו קשר.

הודפס מחדש עם אישור מאת http://cn.comsol.com/blogs/, המחבר המקורי Walter Frei.