Ansoft Maxwell 教學 > 2D Electrostatic Example to model and sweep finger effect

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延續前一篇討論得知，模擬手指效應的銅棒高度越高，3D model meshing refinement的時間越久。本文將以Maxwell 2D model來分析不同的銅棒高度，於模擬所得到的互電容變化趨勢，取得一個可接受的最低的銅棒高度；以及手指出現與否Touch Panel所偵測到的電容差異。

  1. Create and Setup the Design

  2. 2D Model

  3. Set Variables

  4. Set Material (add ITO material)

  5. Add Solution Setup

  6. Validation Check and Analyze

  7. Check Solution Profile and Convergence

  8. Check Mesh

  9. Check Self-Cap. and Mutual-Cap.

  1. Create and Setup the Design 

1.1 General settings

Tools \ Options \ General Options，勾選[Insert a design of type]，讓每次打開Maxwell時，自動開啟一個2D/3D design

Tools \ Options \ Maxwell 2D Options，在[Solvers]那一頁設定多核心處理。

1.2 Set Solution Type and Design Unite

Maxwell 2D \ Solution Type，[Geometry Mode]選[Cylindrical abot Z]，表示物件結構是以Z軸為中心旋轉形成

Maxwell 2D \ Solution Type，選[Electric：Electrostatic]

選[Electric：Electrostatic]，等一下步驟5.2設定Excitation會出現Voltage/Charge/Floating/Charge Density供選擇，步驟9的模擬結果才會出現[寄生電容]值。如果這裡一開始選的是[Magnetic：Magnetostatic]，步驟5.2設定Excitation會出現Current/Current Density供選擇，步驟9的模擬結果則是[寄生電感]值。

Modeler \ Units，選[mm]

  1. 2D Model 

2.1 以[Draw rectangle]建立glass與ITO；glass厚0.5mm、ITO厚度1um。Bottom layer是半徑20mm的圓形ITO，Top layer是半徑1mm的圓形ITO

2.2 以[Draw rectangle]建立厚1mm的cover lens疊於top layer ITO上。以[Draw rectangle]建立半徑2.5mm，高5mm的銅棒， 於Top layer的ITO pattern正上方，用來模擬手指的接觸

2.3 以[Draw rectangle]建立高度超過20mm的air box，等一下要sweep銅柱高度；所有物件的屬性設定中，透明度設0.7

此處的背景空間(air box)的邊界條件，只取上下右三邊設定為[Ballon]

  1. Set Variables 

將ITO thickness、glass thickness、column height、cover lens thickness都重新以變數型態設定，便於往後做最佳化sweep模擬。設定完成後可以從Maxwell 2D \ Design Properties檢視所有變數默認值

  1. Set Material (add ITO material) 

ITO的阻抗一般為200~270W/o(視長在何種材質上而定)。假設ITO厚度為0.1um，透過電阻率(resistivity, r)與導電率(conductivity, s)的換算，可將300W/o的ITO材質，設定為導電率33333 (siemens/m)的導體材質。

(面電阻*厚度)的倒數=導電率

以上的設定雖然是真實的材質屬性，但卻會導致模擬速度變慢，若我們只要看寄生電容，建議把ITO材質設成[copper]或[pec]即可

  1. Add Solution Setup 

5.1 Maxwell 2D \ Analysis Setup \ Add Solution Setup

5.2 Maxwell 2D \ Excitations \ Assign \ Voltage

top-layer ITO are named X，bottom-layer ITO are Y。X=V1=1V、Y=V2=1V、copper column=V3=0V

  對導体設定電壓後，Maxwell才會對指定不同電壓的導体之間，進行靜態電場的分析。 一個design中，所有nets的電壓值，不能全部相同建議至少有兩種以上的不同電壓值，比方0V, 1V；避免所有net都同一個電壓值(0V)，可能會導致meshing很久切不到target [Percent Error]

5.3 Maxwell 2D \ Parameters \ Assign \ Matrix

  1. Validation Check and Analyze 

Maxwell 2D \ Validation Check

Maxwell 2D \ Analysis All

  1. Check Solution Profile and Convergence 

Maxwell 2D \ Results \ Solutions Data

或是在[Project Manage]內，選Analysis\Setup1按滑鼠右鍵選[Profile]即可

7.1 [Profile] to check simulation time

7.2 [Convergence] to check the re-fine times (pass times) and total tetrahedron number

  1. Check Mesh 

選定欲觀察meshing的物體，或按Ctrl+A全選，按滑鼠右鍵選[Plot Mesh]。

可以看到，在銅柱下方有ITO pattern處meshing最密

  1. Check Self-Cap. and Mutual-Cap. 

9.1 將銅柱高度定義為變數[column_H]，默認值取5mm

從Maxwell 2D \ Optimetrics Analysis \ Add Parametric開啟[Setup Sweep Analysis]，按[Add]以如下步驟新增sweep變數設定

9.2 從View \ Animate選擇要動態顯示參數變化的物件(銅柱)，選定sweep的變數(column_H)，按[OK]即可

9.3 重新跑一次Analyze All，將所有parameters組合跑過

9.4 Plot the result (看互容值)

Maxwell 2D \ Results \ Create Electrostatic Report \ Rectangular Plot

銅棒存在時，互電容隨銅棒高度的變化很小，只有0.07fF

9.5 拿掉銅棒再跑一次沒有手指效應的互電容

選定銅棒物件，在屬性視窗內取消[Model]該項的勾選，再跑一次analyze，即可得到不帶銅棒效應的互電容值0.6795pF。

恢復銅棒的[Model]屬性，除了再打勾勾選定外，還要把原本設在銅棒上的excitation voltage設回去

9.6 把step9.4的模擬結果，與手指未出現時的互容值0.6795pF取差值

Maxwell 2D \ Results \ Create Electrostatic Report \ Rectangular Plot

0.6795pF取加號運算，而不相減的原因是，Maxwell所算出的互容，本身就是帶負號的

發現銅柱高度雖然對於TP表面所感應的互容有影響，但影響的幅度只有0.08/158=0.05%，小的可以直接忽略，所以我們把銅柱高度設小一點(1.5mm)以改善模擬速度是可以接受的。