कैपेसिटिव टच स्क्रीन का सिमुलेशन विश्लेषण

टच स्क्रीन तकनीक का उपयोग मोबाइल फोन, ई-बुक रीडर, कंप्यूटर और यहां तक कि उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों जैसे घड़ियों में भी किया जाता है। कैपेसिटिव सेंसिंग के कुछ रूप का उपयोग बड़ी संख्या में टच स्क्रीन में किया जाता है। आइए एक नजर डालते हैं कि इस प्रकार के कैपेसिटिव सेंसर का विश्लेषण करने के लिए कॉमॉलो मल्टीफिजिक्स के एसी/डीसी मॉड्यूल का इस्तेमाल कैसे किया जाए ।

कैपेसिटिव सेंसिंग का परिचय

टच स्क्रीन उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले कैपेसिटिव सेंसर के लिए, उनमें पारदर्शी डाइइलेक्ट्रिक सामग्री (जैसे ग्लास या नीलम स्क्रीन) में एम्बेडेड प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड की एक बड़ी संख्या होती है। इलेक्ट्रोड खुद बहुत पतले होते हैं, लगभग पूरी तरह से पारदर्शी सामग्री से बने होते हैं, और नग्न आंखों के लिए अदृश्य होते हैं।

आइए एक बहुत ही बुनियादी संरचना के साथ शुरू करें, जिसमें 90 डिग्री कोण पर दो इलेक्ट्रोड सरणी शामिल हैं, जैसा कि नीचे दिए गए आंकड़े में दिखाया गया है।

कृपया ध्यान दें कि वास्तविक टच स्क्रीन हमने यहां जो देखा है, उससे अधिक जटिल है, लेकिन सिमुलेशन कौशल मूल रूप से समान हैं।

कैपेसिटिव टच स्क्रीन सेंसर में कोर घटकों का सरलीकृत योजनाबद्ध आरेख (स्केल तक नहीं)

जब किसी भी दो या अधिक इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज अंतर लागू किया जाता है, तो एक इलेक्ट्रोस्टैटिक फ़ील्ड उत्पन्न होता है। हालांकि इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोड के आसपास के क्षेत्र के बीच सबसे मजबूत है, यह अभी भी एक निश्चित दूरी की जावक फैली हुई है । जब कोई प्रवाहकीय वस्तु (जैसे उंगली) इस क्षेत्र में पहुंचती है, तो विद्युत क्षेत्र बदल जाएगा, ताकि दो सक्रिय इलेक्ट्रोड के बीच संयुक्त क्षमता में परिवर्तन का पता लगाया जा सके। यह इस क्षमता अंतर के माध्यम से है कि हम उंगली की स्थिति है कि स्क्रीन को छू रहा है भावना ।

जब कुछ इलेक्ट्रोड के बीच संभावित अंतर लागू किया जाता है, तो अन्य इलेक्ट्रोड को व्यक्तिगत रूप से विद्युत रूप से अछूता किया जा सकता है, या विद्युत रूप से पूरे रूप से जुड़ा हो सकता है, लेकिन फिर भी विद्युत रूप से अछूता राज्य में। इसलिए, वे एक निरंतर लेकिन अज्ञात क्षमता हो सकती है।

इन इलेक्ट्रोड, आसपास के धातु के गोले, और अन्य डाइइलेक्ट्रिक वस्तुओं का सही अनुकरण क्षमता परिवर्तनों की गणना करने की कुंजी है। आइए एक नजर डालते हैं कि इस लक्ष्य को हासिल करने के लिए एसी/डीसी मॉड्यूल के फंक्शन का इस्तेमाल कैसे किया जाए ।

एक घड़ी में कैपेसिटिव सेंसर का अनुकरण करें

इस तरह के एक अपेक्षाकृत छोटे डिवाइस के लिए, हम पूरी संरचना अनुकरण कर सकते हैं; सेंसर का आकार केवल 20 * 30 मिमी है, और दो इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी 1 मिमी है। बड़े टच स्क्रीन के लिए, पूरी स्क्रीन के केवल एक छोटे से क्षेत्र पर विचार करना अधिक उचित है।

ग्लास डायल (पारदर्शी) में एम्बेडेड कैपेसिटिव सेंसर। पट्टा और मामला केवल दृश्य उद्देश्यों के लिए हैं।

जैसा कि नीचे दिए गए आंकड़े में दिखाया गया है, सिमुलेशन डोमेन एक बेलनाकार क्षेत्र है। इस क्षेत्र में ग्लास स्क्रीन, उंगलियों और घड़ी के चारों ओर हवा होती है। हमारे पास यह मानने का कारण है कि आकार बढ़ने के साथ ही आसपास की हवा के आकार का प्रभाव तेजी से कम हो जाएगा ।

सीमा शर्तों का उपयोग किया जाता है

यहां, एयर डोमेन की सीमा को एक खाली स्थान के रूप में सीमा का अनुकरण करने के लिए शून्य-चार्ज शर्त के रूप में सेट किया गया है। इसके अलावा, समानांतर इलेक्ट्रोड के दो जमीन सीमा शर्तों के रूप में सेट कर रहे हैं, और वोल्टेज क्षेत्र शून्य पर तय की है । ऊर्ध्वाधर इलेक्ट्रोड के दो टर्मिनल सीमा शर्तों के रूप में सेट कर रहे हैं, और वोल्टेज एक निरंतर मूल्य है । टर्मिनल सीमा की स्थिति स्वचालित रूप से क्षमता की गणना करेगी। अन्य सभी सीमाएं फ्लोटिंग संभावित सीमा स्थितियों द्वारा नकली हैं।

परिमित तत्व मॉडल की कल्पना करें। उंगली (ग्रे), इलेक्ट्रिक शील्ड (नारंगी), और सभी अउत्सित इलेक्ट्रोड (लाल और हरे) अस्थायी संभावित सीमा स्थिति से नकली हैं। एक संभावित अंतर दो इलेक्ट्रोड (सफेद और काले) पर लागू होता है। डायल (सियान) का हिस्सा छिपा हुआ है। अन्य सभी सतहों विद्युत इन्सुलेशन सीमा शर्तों (नीला) का उपयोग करें। हवा और डायल मात्रा मेशेड हैं। स्पष्टता के लिए, ग्रिड की सतह का केवल एक हिस्सा दिखाया गया है।

फ्लोटिंग संभावित सीमा स्थिति का उपयोग सतहों के एक सेट का प्रतिनिधित्व करने के लिए किया जाता है जिस पर चार्ज को स्वतंत्र रूप से पुनर्वितरित किया जा सकता है। सेटिंग का उद्देश्य एक निरंतर लेकिन अज्ञात क्षमता के साथ एक वस्तु की सीमा का अनुकरण करना है। यह एक बाहरी इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र लागू करने का परिणाम है।

इस प्रकार की फ्लोटिंग संभावित सीमा स्थिति का उपयोग सतहों के कई सेटों पर किया जाता है, जैसे कि घड़ी की निचली सतह, जो ग्लास मामले के तहत विद्युत परिरक्षण का प्रतिनिधित्व करती है। इलेक्ट्रोड जो वर्तमान में उत्साहित नहीं हैं, एक एकल फ्लोटिंग संभावित सीमा स्थिति का हिस्सा हैं (यह मानते हुए कि सभी इलेक्ट्रोड विद्युत रूप से एक साथ जुड़े हुए हैं)। ध्यान दें कि फ्लोटिंग संभावित समूह विकल्प का उपयोग प्रत्येक शारीरिक रूप से स्वतंत्र सीमा को एक अलग निरंतर वोल्टेज पर तैरने की अनुमति देने के लिए किया जा सकता है। किसी भी संयोजन के इलेक्ट्रोड को एक ही समूह में जोड़ना भी संभव है ताकि उन्हें एक साथ विद्युत रूप से जोड़ा जा सके।

उंगली सीमा (जब मॉडल में शामिल) भी फ्लोटिंग संभावित सीमा स्थिति का उपयोग करता है। यह माना जाता है कि मानव शरीर हवा और डाइइलेक्ट्रिक परतों के सापेक्ष अपेक्षाकृत अच्छा कंडक्टर है।

उपयोग की जाने वाले सामग्री

यहां केवल दो अलग-अलग सामग्रियों का उपयोग किया जाता है। पूर्व निर्धारित वायु सामग्री का उपयोग अधिकांश डोमेन में किया जाता है, और डाइइलेक्ट्रिक कॉन्स्टेंट 1 सेट होता है। स्क्रीन इसे एक उच्च डाइइलेक्ट्रिक स्थिर देने के लिए एक पूर्व निर्धारित क्वार्ट्ज ग्लास सामग्री का उपयोग करती है।

यद्यपि स्क्रीन स्वयं एक सैंडविच संरचना है जो विभिन्न सामग्रियों से बना है, हम मान सकते हैं कि सभी परतों में एक ही सामग्री गुण हैं। इसलिए, उनके बीच हर सीमा को स्पष्ट रूप से मॉडल करने की कोई आवश्यकता नहीं है; सभी परतों को एक डोमेन के रूप में माना जाता है।

इलेक्ट्रिक फील्ड वैल्यू के लोगाेंथम के रंग की कल्पना करें। चूंकि उंगली को फ्लोटिंग क्षमता के रूप में देखा जाता है, इसलिए इसके आंतरिक विद्युत क्षेत्र को नजरअंदाज किया जा सकता है।

अनुकूली जाल शोधन का उपयोग करके प्राप्त सटीक समाधान

सटीक परिणाम प्राप्त करने के लिए, वोल्टेज क्षेत्र के स्थानिक भिन्नता का विश्लेषण करने के लिए पर्याप्त रूप से परिष्कृत परिमित तत्व ग्रिड होना आवश्यक है। हालांकि हम नहीं जानते कि वोल्टेज क्षेत्र में सबसे नाटकीय परिवर्तन गणना से पहले कहां दिखाई देंगे, हम सॉफ्टवेयर को खुद तय करने दे सकते हैं जहां अनुकूली जाल शोधन के माध्यम से छोटे ग्रिड कोशिकाओं की आवश्यकता होती है।

हमने कई बार अनुकूली जाल शोधन का उपयोग किया, और परिणाम नीचे तालिका में दिखाए जाते हैं। ये परिणाम 3.7 गीगाहर्ट्ज आठ-कोर ज़ियन प्रोसेसर और 64 जीबी मेमोरी के साथ कंप्यूटर कॉन्फ़िगर किए गए कंप्यूटर पर प्राप्त किए गए थे:

यह उपरोक्त तालिका से अनुमानित किया जा सकता है कि हम एक बहुत ही मोटे जाल के साथ शुरू कर सकते हैं और फिर अधिक सटीक क्षमता मूल्य प्राप्त करने के लिए अनुकूली जाल शोधन का उपयोग कर सकते हैं। हालांकि, ऐसा करने से मेमोरी यूसेज बढ़ेगा और सॉल्यूशन टाइम लंबा होगा। क्षमता प्रतिशत में अंतर बेहतरीन जाल के लिए है।

क्षमता मैट्रिक्स की गणना करें

अब तक, हमने केवल सरणी में दो इलेक्ट्रोड के बीच क्षमता की गणना पर ध्यान केंद्रित किया है। वास्तव में, हम उम्मीद करते हैं कि कैपेसिटी सरणी में सभी इलेक्ट्रोड के बीच क्षमता की गणना करने में सक्षम होंगे, यानी कैपेसिटी मैट्रिक्स। सममित वर्ग मैट्रिक्स वोल्टेज के बीच संबंध को परिभाषित करता है और सिस्टम में सभी इलेक्ट्रोड पर लागू चार्ज करता है। एन इलेक्ट्रोड और एक जमीन से मिलकर एक प्रणाली के लिए, मैट्रिक्स है:

इन विकर्ण और गैर-विकर्ण शब्दों की गणना स्वचालित रूप से सॉफ्टवेयर द्वारा की जाती है। सामग्री के इस हिस्से को बाद के ब्लॉग पोस्ट में अधिक विस्तार से वर्णित किया जाएगा।

सारांश

हमने एक कैपेसिटिव टच स्क्रीन डिवाइस को हल करने के लिए एसी/डीसी मॉड्यूल के इलेक्ट्रोस्टैटिक सिमुलेशन फंक्शन का उपयोग करने के एक उदाहरण का अध्ययन किया । यद्यपि ज्यामिति को प्रस्तुति उद्देश्यों के लिए सरल बनाया गया है, वर्णित तकनीकों को अधिक जटिल संरचनाओं पर भी लागू किया जा सकता है।

इस प्रकार के परिमित तत्व मॉडल को हल करते समय, आवश्यक भौतिक मात्रा के अभिसरण का अध्ययन करना बहुत महत्वपूर्ण है (इस मामले में, यह आमतौर पर जाल शोधन के सापेक्ष क्षमता का मामला होता है)। अनुकूली जाल शोधन कार्य मॉडल सत्यापन चरण के स्वचालन में बहुत सुधार करता है।

इतने बड़े मॉडल को हल करते समय, आप वितरित समानांतर मेमोरी सॉल्वर का उपयोग तेजी से समाधान समय प्राप्त करने के लिए भी कर सकते हैं। बेशक, COMSOL मल्टीफिजिक्स और इसके एसी/डीसी मॉड्यूल का कार्य लेख में परिचय तक ही सीमित नहीं है, आप इसका उपयोग अधिक कार्यों को प्राप्त करने के लिए कर सकते हैं। यदि आप अधिक जानना चाहते हैं, तो कृपया हमसे संपर्क करें।

http://cn.comsol.com/blogs/, मूल लेखक वाल्टर Frei से प्राधिकरण के साथ फिर से मुद्रित ।