電容式觸控螢幕感應器分析
從我們手機的觸控螢幕，到控制智慧家庭用品，再到地鐵站的自動售票機購買車票，我們每天都與無數的觸控螢幕互動，這些螢幕的易用性和它們給予的直覺反應，全都歸功於它們對我們的手指在螢幕表面滑動和觸碰時的精準檢測能力。
多年來，市場已經開發了各種不同類型的感應器，而在觸控螢幕技術方面，電容式感應器依然是最廣泛使用的。這些電容式感應器非常適合透過其電磁特性來檢測人類手指的存在，並允許在手指和感應器本身之間放置多層玻璃和塑料材料。
在此篇文章中，我們將帶您了解CST Studio Suite 電磁模擬分析軟體中專門用於設計和優化現代智慧手錶中使用的典型電容式感應器的功能。
打造未來：為觸控螢幕應用設計創新的電容式感應器
在設計這樣的感應器時，必須考慮許多方面。談到這種檢測系統的效率時，主要有兩大考量：檢測的準確性（尤其是當螢幕變得更小且解析度提高時）以及檢測的速度。
智慧手錶的革新之旅：電容式感應器的先進設計與模型建構
智慧手錶的螢幕包含了多種不同的層，這些層不僅提供強度，也是顯示資訊的介質。螢幕組件被安置在一個外殼中，而感應器則位於螢幕的多層之後。
感應器陣列以網格形式排列，由獨立控制的電極行列組成。
在這個網格的每一行與列之間，存在著一個已知的電容。當人類手指接近這個網格時，這些行和列的電容會發生變化。
無手指接觸時感應器電容的精確分析
網格中的單獨行與列會以小間隔依序激發。
軟體會自動計算在不同電位與接地狀態下，行與列之間的電容，這是通過一系列靜電分析完成的。所得到的電容矩陣完整地描述了網格的靜電行為，並可作為在電路模擬過程中有限元模型的簡化表達。
利用電容式感應器精準偵測手指
CST Studio Suite 提供了一系列的人類模型，包括人類手指的模型，將這些模型導入到智慧手錶模型中既直接又簡便，正常情況下，手指的電位與接地相同，而手指對電場分佈和電容矩陣的影響可以直接被整合進模型中。
針對手指在八個不同位置進行了參數研究，這些位置距離螢幕表面有不同的距離（見下方圖片）。計算了感應器網格個別部分的電容變化，這個計算定義了一個檢測的靈敏度範圍，如預期，當手指最接近螢幕時，電容變化的影響最大，隨著距離增加，其影響逐漸減小。
電容式感應器檢測電路的先進優化
一旦獲得了無手指和有手指情況下電路的電容特性，下一步是通過優化檢測電路來提高檢測速度。
感應器網格的每一行和列都連接到一個電壓控制的開關，允許對整個網格進行每秒多次的順序激發。電路元件的優化確保了感應器陣列的最快響應時間，這對應於用戶對他們手指動作的即時感覺。
電路的響應通過測量電路元件之間的電壓降來衡量，電壓降的速度越快，手指位置的檢測越迅速，感應器的時間分辨率就越好。在下面的圖像中，我們可以看到探針P1位置的電壓特性，電路會充電一定時間，之後切斷與電源的連接並允許電路放電，在探針信號的零交叉點進行檢測。
CST Studio Suite的示意圖工具可以快速進行電路的模擬，這包括將智慧手錶和手指有限元（FE）模型通過其等效的電容矩陣表示出來，這是從不同手指位置的一系列FE解決方案中事先計算出來的。
可以進行非常快速的優化研究，以優化不同電路元件（例如電阻和電容）的值，以獲得最快的檢測時間，這種優化可以在幾秒鐘或幾分鐘內完成，因為它不需要重新執行任何新的有限元素解決方案。
因此，這樣的觸控螢幕設備製造商可以迅速優化他們的電容檢測佈局，適應任何新型的幾何輪廓和螢幕製造過程，並確保從他們的設備獲得最佳的檢測特性，以實現最真實的反應。
觸控螢幕在各種消費性設備中變得越來越普遍，隨著降低成本和提高檢測精確性的壓力增大，電容式感應器成為這些設備的首選解決方案。
CST Studio Suite提供了完整的功能集，用於模擬和優化這類電容式感應器。其先進的有限元素求解器、電路模擬器和人類模型，為設計師提供了一種快速而簡便的方式來驗證和改進他們的設計。
可以顯著減少原型的數量，並在設計的非常早期階段就解決檢測的準確性和延遲問題，避免了後期重新設計的昂貴過程。
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資料來源：實威國際 SolidWizard
原文網址：https://swtc.com/zh-tw/news/casestudy-CST-capacitivesensor
