Analyse de simulation d'écran tactile capacitif

La technologie des écrans tactiles est utilisée dans les téléphones portables, les lecteurs de livres électroniques, les ordinateurs et même les produits électroniques grand public tels que les montres. Une certaine forme de détection capacitive est utilisée dans un grand nombre d'écrans tactiles. Voyons comment utiliser le module AC/DC de COMSOL Multiphysics pour analyser ce type de capteur capacitif.

Introduction à la détection capacitive

Pour les capteurs capacitifs tels que ceux utilisés dans les dispositifs à écran tactile, ils contiennent un grand nombre d'électrodes conductrices noyées dans des matériaux diélectriques transparents (tels que des écrans en verre ou encore en saphir). Les électrodes elles-mêmes sont très minces, faites d'un matériau presque entièrement transparent et invisibles à l'œil nu.

Laissez's commencer par une structure très basique, qui comprend deux réseaux d'électrodes se coupant à un angle de 90 °, comme le montre la figure ci-dessous.

Veuillez noter que l'écran tactile réel est plus compliqué que ce que nous avons vu ici, mais les compétences de simulation sont fondamentalement les mêmes.

Schéma simplifié des composants de base du capteur d'écran tactile capacitif (pas à l'échelle)

Lorsqu'une différence de tension est appliquée entre deux électrodes ou plus, un champ électrostatique est généré. Bien que le champ électrostatique soit le plus fort entre les électrodes et la zone entourant les électrodes, il s'étend toujours sur une certaine distance vers l'extérieur. Lorsqu'un objet conducteur (comme un doigt) s'approche de cette zone, le champ électrique change, de sorte que le changement de la capacité combinée entre les deux électrodes actives peut être détecté. C'est grâce à cette différence de capacité que l'on sent la position du doigt qui touche l'écran.

Lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre certaines des électrodes, les autres électrodes peuvent être isolées électriquement individuellement, ou connectées électriquement dans leur ensemble, mais toujours dans un état isolé électriquement. Par conséquent, ils peuvent avoir un potentiel constant mais inconnu.

La simulation correcte de ces électrodes, des coques métalliques environnantes et d'autres objets diélectriques est la clé du calcul des changements de capacité. Laissez's examiner comment utiliser la fonction du module AC/DC pour y parvenir.

Simulez le capteur capacitif dans une montre

Pour un appareil aussi relativement petit, nous pouvons simuler la structure entière ; la taille du capteur n'est que de 20 * 30 mm et la distance entre les deux électrodes est de 1 mm. Pour les écrans tactiles plus grands, il est plus raisonnable de ne considérer qu'une petite zone de l'ensemble de l'écran.

Capteur capacitif intégré dans le cadran en verre (transparent). Le bracelet et l'étui sont uniquement à des fins de visualisation.

Comme le montre la figure ci-dessous, le domaine de simulation est une zone cylindrique. Cette zone contient l'écran en verre, les doigts et l'air autour de la montre. Nous avons des raisons de croire que l'influence de la taille de l'air environnant diminuera rapidement à mesure que la taille augmente.

Conditions aux limites utilisées

Ici, la limite du domaine aérien est définie comme une condition de charge nulle pour simuler la limite comme un espace libre. De plus, deux des électrodes parallèles sont définies comme conditions aux limites du sol et le champ de tension est fixé à zéro. Deux des électrodes verticales sont définies comme conditions limites terminales et la tension est une valeur constante. Les conditions aux limites terminales calculeront automatiquement la capacité. Toutes les autres limites sont simulées par des conditions aux limites de potentiel flottant.

Visualisez le modèle d'éléments finis. Le doigt (gris), le bouclier électrique (orange) et toutes les électrodes non excitées (rouge et verte) sont simulés par la condition limite de potentiel flottant. Une différence de potentiel est appliquée aux deux électrodes (blanche et noire). Une partie du cadran (cyan) est masquée. Toutes les autres surfaces utilisent des conditions aux limites d'isolation électrique (bleu). L'air et le cadran sont maillés en volume. Par souci de clarté, seule une partie de la surface de la grille est représentée.

La condition aux limites de potentiel flottant est utilisée pour représenter un ensemble de surfaces sur lesquelles la charge peut être redistribuée librement. Le but du réglage est de simuler la frontière d'un objet avec un potentiel constant mais inconnu. C'est le résultat de l'application d'un champ électrostatique externe.

Ce type de condition aux limites de potentiel flottant est utilisé sur plusieurs ensembles de surfaces, telles que la surface inférieure d'une montre, qui représente le blindage électrique sous le boîtier en verre. Les électrodes qui ne sont pas actuellement excitées font partie d'une seule condition limite de potentiel flottant (en supposant que toutes les électrodes sont connectées électriquement entre elles). Notez que l'option de groupe de potentiel flottant peut être utilisée pour permettre à chaque limite physiquement indépendante de flotter à une tension constante différente. Il est également possible de combiner des électrodes de n'importe quelle combinaison dans le même groupe pour les connecter électriquement entre elles.

La limite de doigt (lorsqu'elle est incluse dans le modèle) utilise également la condition de limite de potentiel flottant. On suppose que le corps humain est un relativement bon conducteur par rapport à l'air et aux couches diélectriques.

Les matériaux utilisés

Seuls deux matériaux différents sont utilisés ici. Des matériaux d'air prédéfinis sont utilisés dans la plupart des domaines et la constante diélectrique est définie sur 1. L'écran utilise un matériau de verre de quartz prédéfini pour lui donner une constante diélectrique plus élevée.

Bien que l'écran lui-même soit une structure sandwich composée de différents matériaux, nous pouvons supposer que toutes les couches ont les mêmes propriétés matérielles. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de modéliser explicitement chaque frontière entre eux ; toutes les couches sont traitées comme un seul domaine.

Visualisez la couleur du logarithme de la valeur du champ électrique. Le doigt étant considéré comme un potentiel flottant, son champ électrique interne peut être ignoré.

Solution exacte obtenue en utilisant le raffinement adaptatif du maillage

Pour obtenir des résultats précis, il est nécessaire de disposer d'une grille d'éléments finis suffisamment raffinée pour analyser la variation spatiale du champ de tension. Bien que nous ne sachions pas où les changements les plus spectaculaires dans le champ de tension apparaîtront avant les calculs, nous pouvons laisser le logiciel décider lui-même où des cellules de grille plus petites sont nécessaires grâce au raffinement adaptatif du maillage.

Nous avons utilisé plusieurs fois le raffinement adaptatif du maillage et les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous. Ces résultats ont été obtenus sur un ordinateur configuré avec un processeur Xeon huit cœurs à 3,7 GHz et 64 Go de mémoire :

On peut déduire du tableau ci-dessus que nous pouvons commencer avec un maillage très grossier, puis utiliser un raffinement de maillage adaptatif pour obtenir une valeur de capacité plus précise. Cependant, cela augmentera l'utilisation de la mémoire et prolongera le temps de résolution. La différence de pourcentage de capacité est pour le maillage le plus fin.

Calculer la matrice de capacité

Jusqu'à présent, nous nous sommes uniquement concentrés sur le calcul de la capacité entre les deux électrodes du réseau. En fait, nous espérons pouvoir calculer la capacité entre toutes les électrodes du réseau de capacités, c'est-à-dire la matrice de capacités. La matrice carrée symétrique définit la relation entre la tension et la charge appliquée à toutes les électrodes du système. Pour un système constitué de n électrodes et d'une masse, la matrice est :

Ces termes diagonaux et non diagonaux sont calculés automatiquement par le logiciel. Cette partie du contenu sera décrite plus en détail dans les prochains articles de blog.

résumé

Nous avons étudié un exemple d'utilisation de la fonction de simulation électrostatique du module AC/DC pour résoudre un dispositif à écran tactile capacitif. Bien que la géométrie soit simplifiée à des fins de présentation, les techniques décrites peuvent également être appliquées à des structures plus complexes.

Lors de la résolution de ce type de modèle éléments finis, il est très important d'étudier la convergence de la grandeur physique recherchée (dans ce cas, c'est généralement le cas de la capacité relative au raffinement du maillage). La fonction de raffinement adaptatif du maillage améliore considérablement l'automatisation de l'étape de vérification du modèle.

Lors de la résolution de modèles aussi volumineux, vous pouvez également utiliser le solveur de mémoire parallèle distribuée pour obtenir un temps de résolution plus rapide. Bien entendu, la fonction de COMSOL Multiphysics et de son module AC/DC ne se limite pas à l'introduction dans l'article, vous pouvez l'utiliser pour réaliser plus de fonctions. Si vous voulez en savoir plus, veuillez nous contacter.

Réimprimé avec l'autorisation de http://cn.comsol.com/blogs/, auteur original Walter Frei.