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Home > ANSYS Q3D 教學 > Projected Capacitive Touch Screen Panel Optimized Design
The article is intended to introduce how powerful a tool Q3D is for projected capacitive touch screen panel design. 本文不只在演示Q3Dv11於touch panel模擬的強大功能，更分享一些在觸控領域的模擬技巧，並示範一個pitch space 5mm但用於2 phi touch size的筆寫式電容觸控(capacitive stylus)參考設計 。
Self-cap two layer ITO：with ghost
Mutual-cap two layer ITO：True multi-touch
Self-cap one layer ITO as triangle pattern：one touch , two gesture , with ghost
最新的技術：One layer true multi-touch、In-cell touch panel
Pitch 5mm、Receiver line width 1~2mm、Driver line width 4.9mm
Two layer ITO、0.7mm thickness of cover lens、4~8 phi touch size
本例中，我們只關心電容(互容)的分佈狀況，暫時不需要R值的模擬結果，為加速模擬，先將ITO材質設為理想導體
因為感應電極在結構邊界處(boundary)會有因電力線流梳(fringe)所引入的多餘感應成分，所以最外圈的感應結果不能用(誤差較大)，故one-touch的最小模擬矩陣建議取5x5為最佳
3.1 因為只看電容，不看RL，可不需設source\sink
3.2 為了避免假性收斂，[Min. Converged Pass]=2
3.3 Solution Order設[Very High]可加速模擬 (speed up about x3)
3.4 Q3D Extractor \ Reduce Matrix \ Floating at Infinity
Reduce matrix是Q3D中很重要的後處理技術(post processing)，這裡我們要用到的是[Floating at Infinity]，指的是模擬區域內的物件，對無窮遠處沒有電荷的感應(無窮遠處感應電荷=0)，此時模擬系統是以local ground為reference，模擬區域內的物件彼此之間呈現彼此間電荷平衡的狀態。
Normal width of receiver line is 1mm under pitch 5mm
Touch中心的觸碰感應量約1.10-0.929=171fF，相鄰的上下corner的觸碰感應量約1.10-1.065=35fF，相鄰的左右corner的觸碰感應量約1.10-1.085=15fF。
5.1 Larger touch size is good for delta-mutual signal, but bad for the noise from finger.
對於pitch space=5mm的設計，也就是driver line與receiver line交叉形成約5x5mm [sensing element]的區域，當touch size直徑大於6mm(半徑大於3mm)時，手指觸碰所貢獻的感應量變化會飽和，這最大的飽和值可以用來做為ADC input full range的設計規格參考.
5.2 Larger touch size is good for linearity under fixed pitch space of driver/receiver lines
對於pitch space=5mm的設計，當touch size為直徑5mm (5 phi touch)，此時相鄰sensing corner的感應量約是中心感應量的10%。
若touch size再縮小為4mm，甚至3mm，那touch在sensing channels間移動時，兩個sensing element得到的感應值將無法有效的線性內差來準確定位，導致線性度誤差會變大。也就是說，如果想做出一個可以2 phi準確定位的筆寫觸控系統，那必須設計pitch space=~3mm，或配合sensor pattern的最佳化設計，讓一個2 phi touch可以同時被兩條sensing line有效地感應到(>10%)
6.1 Modify width of receiver line from 1mm to 1.8mm under pitch 5mm
5 phi touch中心的觸碰感應量約1.61-1.42=190fF，相鄰的上下corner的觸碰感應量約1.61-1.567=43fF，相鄰的左右corner的觸碰感應量約1.61-1.58=30fF。
6.2 Combine split receiver lines to extend the area where a receiver line effects
5 phi touch中心的觸碰感應量約1.01-0.78=230fF，相鄰的上下corner的觸碰感應量約1.01-0.93=80fF，相鄰的左右corner的觸碰感應量約1.01-0.945=65fF。
6.3 Another pattern(魚骨狀) to support smaller touch size, down to 2 phi.
5 phi touch中心的觸碰感應量202.8fF，相鄰的上下corner的觸碰感應量約29.6fF，相鄰的左右corner的觸碰感應量約16.5fF。
筆寫式觸控因為筆尖接觸面積很小，準確度的要求很高，所以需要高感度sensor IC+sensor pattern設計+定位演算法三方的配合，才可以做到以5 mm的sensor pitch來定位。
2 phi touch放在兩根receiver line中間可以感應到2.033p-1.99p=40fF；同樣的條件，如果使用step5的pattern就只剩1.17-1.14=30fF的感應量。improve 30%
在pattern間塞Dummy 原本是用來消除底影/蝕刻線被看見的問題，但透過模擬發現
7.1 對於1-layer ITO with bridge, mutual-cap(如菱形)：pattern間的gap塞dummy除了可以讓互容訊號量變大，split dummy還可以使得原有touch的fringe影響範圍略擴張，進而改善線性度
7.2 對於2-layer ITO, mutual-cap：driver line塞split dummy可以使得原有touch的fringe影響範圍略擴張，進而改善線性度；在receiver line挖洞塞dummy，可以減少drive line與receiver line間的background mutual-cap，與手對receiver line間的電容耦合路徑。
7.3 延續step6，把魚骨形狀的receiver lines塞dummy patterns
2 phi touch放在兩根receiver line中間可以感應到1.765p-1.725p=40fF；background mutual-cap從step6.3的2pF下降到1.765pF。此為最佳化設計的另一例。
Border effect指在電容式觸控面板的邊緣處，因為
8.1 Touch panel邊界處的fringe分佈已經與非邊緣處不同，導致定位的效果產生偏差，而這偏差的 嚴重程度與sensor IC的感應/定位原理、pattern形狀、sensor pitch space、touch size...等，都有關。
8.2 Touch panle邊界處通常會有收線的layout，這導致手摸到邊緣處時，會額外引入收線的感應量
從本文step 6.2就可觀察到，corner (Driver0, Recv_1)與 (Driver2, Recv_1)同屬觸碰位置中心的上下兩對稱位置，但上方的fringe感應量就是較小，這是因為上方多了一段左右橫向的細線連接兩條receiver lines.
8.3 假設我們希望touch摸到border時，收線所引入的delta-mutual signal不要多於3%，那mutual-cap的周邊收線(線寬=線距=0.1mm)，drive lines與receiver lines間要透過多寬的guard trace (GND)隔開才夠isolate，並且因收線被銅棒壓到所引入的互容增加多少? 此例我們透過Q3D內的SI2D (2D solver)來分析，順便看電場的分佈狀態
當R2與D1間隔著一條0.1mm寬的floating trace，同平面的兩條線間互容會貢獻17.9pF/m
當R2與D1間隔著一條0.1mm寬的grounding trace，同平面的兩條線間互容只會增加5.5pF/m
9.1 Driver lines 舖滿下層可抗下方來的VCOM noise
9.2 Receiver lines設計小一點的面積或是挖洞，可以減少由手進來的noise
10.1 從電容矩陣所呈現的手指觸碰感應分佈與大小比例，就可判斷touch panel的靈敏度與線性度優劣狀況 (as step4)
10.2 以觸碰中心點的感應量與上下/左右感應量比值，可快速判斷某pitch space、sensor pattern條件下的min. touch (as step5)
11.1 如何加速Q3D於觸控應用的模擬速度?
Ans：Q3D v11對於厚度小於1um layer，mesh較費工，建議放大導體厚度(修改等效導電率)，與換算介質的等效厚度；Q3D v12以後則可以支援厚度@0的導體材質，並更加速模擬。除非要觀察每一根sensor channel所看到的RC loading，大部分的狀況是不需要做整片panel的3D模擬的，如果要做移動手指的線性度模擬，取5x5~6x6的C matrix即可。
sensor pattern與trace可以分開model模擬，RC值再加起來。
11.2 Q3D中solution frequency的設定，是否影響模擬結果?
Ans：Q3D的solution frequency並不會影響mesh結果，又觸控應用上的訊號掃描頻率大約百KHz級，所以都落在DC region，我們只需看RDC與C，故Q3D中solution frequency的設定，並不影響觸控應用的模擬結果
11.3 C Matrix的資料如何後處理成更具可觀察性的數據結果?
Ans：Q3D輸出的資料是C matrix，筆者個人覺得用Matlab是處理矩陣數值運算很強的工具
11.4 對於ITO或RDL的模擬應用，很薄的 導體層或介質層該如何處理?
Ans：可以利用等效厚度+等效介電系數的簡化換算，或是Q3Dv12的新功能[Thin Conductor] boundary加速
11.5 疊層間的等效厚度換算，是否有使用限制? 會影響模擬結果多少?
Ans：只要欲計算的電容是滿足C=eA/d線性關係，使用等效厚度簡化結構就沒問題。即使是mutual-cap的計算，比較step4 (171fF)與step5 (168fF)的模擬只差1.7%。
11.6 對於觸控模擬的應用，Export model時，是DC就好，還是AC+DC?
Ans：由於ITO是很薄(0.1um)的非良導體(33333, S/m)，而觸控應用上的訊號掃描頻率大約百KHz級，計算肌膚深度都落在DC region
11.7 如果有多點資料要進行3D模擬，如何快速Export出多點的SPICE model?
Ans：可以用Q3D內的[Record Script]功能
11.8 Touch Panel線性度模擬，取點需要多密?要取多少點才夠?有沒有快一點的系統化分析方式?
Ans：這與min. touch size與channel pitch的比例有關，一般觸控的設計要保證min. touch不論壓在panel的哪個位置，都能至少被兩條sensors有效的感應到。筆者的經驗，一個pitch的距離內取四點蠻足夠了。如果要模擬手指在面板上跑一段很長的距離，數百個報點位置的模擬結果，不建議直接用3D模擬軟體跑，而是應該用3D模擬軟體把一個感應單元區域內的電容感應分佈特性以數值分析的方法歸納出來，然後用軟體計算extend成整個panel的感應特性估算 。
12.1 互容式多指感應的基礎型專利：US7663607 B2 -- Apple 607專利, 2010通過
多指感應的基礎型專利：US5825352 -- 義隆電子
12.2 廣為使用的條狀(格子grid) pattern專利：US2010/0044122 A1, 已公開未通過, 可能 在Apple 607專利涵蓋範圍內
12.3 單層三角形專利：US6288707 B1, US2010/0123670 A1 -- Atmel
US2011/0141051 -- Melfas, 已公開未通過
US2011/0025636 -- Melfas, 已公開未通過
US2010/0309167 -- Melfas, 已公開未通過
12.4 單層真實多點：US7663607 B2 -- Apple
12.4 以pattern變化提高解析度的專利
12.5 以pattern變化提高抗雜訊能力的專利：菱形挖洞，會有底影，有專利公開但不是很實用