CST Studio Suite电容式触摸屏传感器仿真分析

在这篇博文中，我们回顾了 CST Studio Suite® 中用于设计和优化现代智能手表中使用的典型电容式传感器的专用功能。

从手机的触摸屏，到控制智能家用电器和从地铁站的自动售票机上购票，我们每天都要与众多触摸屏互动。这种屏幕的易用性和它们提供的直观响应都归功于我们的手指在表面滑动并点击屏幕时的检测质量。

多年来开发了各种不同类型的传感器，在触摸屏技术方面，电容式传感器仍然是使用最广泛的传感器。这些电容式传感器最适合通过其电磁特性检测人类手指的存在，并允许在手指和传感器本身之间使用多层玻璃和塑料材料。

为触摸屏应用设计电容式传感器

在设计这种传感器时，必须考虑许多方面。当谈到这种检测系统的效率时，有两个主要考虑因素：检测的准确性（尤其是当屏幕变得更小而分辨率增加时）和检测速度。

智能手表电容式传感器设计与建模

智能手表屏幕包含各种不同的层，它们提供强度并充当显示信息的媒介。屏幕组件安装在外壳中，传感器位于屏幕层的后面。

传感器阵列呈网格状布局，由一排排电极组成，可以独立控制。

网格中的每一行和每列之间存在已知电容。当人的手指接近网格时，这些行和列的电容会发生变化。

在没有手指在场的情况下对传感器进行电容分析

网格的各个行和列以较小的间隔按顺序激励。

该软件使用一系列静电分析自动计算不同电位下行和列与接地之间的电容。得到的电容矩阵充分表征了栅极的静电行为，可以用作电路仿真期间 FE 模型的降阶表示。

使用电容式传感器检测手指

CST Studio Suite 提供人体模型库，包括人体手指模型。将这些模型导入和放置到智能手表的模型中非常简单。通常，手指电位与接地相同。手指对电场分布和电容矩阵的影响可以合并到模型中。

对手指的八个不同位置进行了参数化研究，这些位置与屏幕表面的距离不同（见下图）。计算传感器栅极各个部分的电容变化。此计算定义了检测的灵敏度范围。正如预期的那样，当手指最靠近屏幕时，容量变化的影响最大，并且其影响会随着距离的增加而减弱。

电容式传感器检测电路的优化

一旦获得无手指电路和有手指电路的静电容量特性，下一步就是通过优化检测电路来提高检测速度。

传感器网格的每一行和每一列都连接到一个电压控制开关，允许每秒多次连续激励整个网格。电路组件的优化确保了传感器阵列的最快响应时间，这与用户对手指运动的实时感觉相对应。

电路的响应是通过电路元件两端的电压降来测量的。电压下降越快，检测手指位置的速度就越快，传感器的时间分辨率就越好。在下图中，我们可以看到探针 P1 位置的电压特性。电路充电给定时间，之后与电源的连接中断，允许电路放电。检测在探头信号的过零点完成。

CST Studio Suite 原理图工具允许快速电路仿真，包括通过等效电容矩阵表示智能手表和手指有限元 （FE） 模型，这些矩阵之前根据不同手指位置的一系列 FE 解决方案计算得出。

可以进行非常快速的优化研究，以优化不同电路元件（例如电阻器和电容器）的值，以获得最快的检测时间。优化可以在几秒钟或几分钟内完成，因为它不需要重新运行任何新的有限元解。

因此，此类触摸屏设备的制造商可以针对任何新型的几何轮廓和屏幕制造工艺快速优化其电容式检测布局，并确保其设备具有最佳检测特性，从而获得最真实的响应。

结论

触摸屏在所有类型的消费设备中越来越普遍。随着降低成本和提高检测精度的压力越来越大，电容式传感器正在成为这些设备的首选解决方案。

CST Studio Suite 提供了一整套功能来建模和优化此类电容式传感器。它最先进的有限元求解器、电路仿真器和人体模型为设计人员提供了一种快速简便的方法来验证和改进他们的设计。可以显著减少原型的数量，并且可以在设计的早期阶段解决检测准确性和延迟的任何潜在问题，从而防止代价高昂的后期重新设计过程。