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。
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Create
and Setup the Design
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2D
Model
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Set
Variables
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Set
Material (add ITO material)
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Add
Solution Setup
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Validation Check and Analyze
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Check
Solution Profile and Convergence
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Check
Mesh
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Check
Self-Cap. and Mutual-Cap.
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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]
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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]
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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
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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
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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
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Validation Check and Analyze
Maxwell 2D \ Validation Check
Maxwell 2D \ Analysis All
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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
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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
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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。
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