电容传感器是通用移动设备中常用的器材，本文将运用 COMSOL MulTIphysics 的 AC/DC 模块对电容传感器进行扼要说明。将介绍电容触屏传感器中核心部件的简化示意图，怎么对电场值对数的色彩可视化。
手机、电子书阅读器、核算机，乃至腕表类的消费电子产品中都用到了接触屏技能。很多接触屏中都用到了某种方式的电容传感。让咱们来看一下怎么运用 COMSOL MulTIphysics 的 AC/DC 模块来剖析这类电容传感器吧。
电容传感简介
关于比方触屏设备中用到的电容传感器，其间包含了很多内嵌在通明介电资料（比方玻璃，乃至蓝宝石屏幕）中的导电电极。这些电极自身十分薄，由简直彻底通明的资料制成，且对裸眼不行见。
让咱们先从一个十分根本的结构开端，其间包含两个以 90° 角穿插放置的电极阵列，如下图所示。
请留意实践的接触屏要比咱们这儿所看到的更杂乱，不过模仿技巧根本相同。
电容触屏传感器中核心部件的简化示意图（非等比例）
当向恣意两个或更多电极之间施加一个电压差时，就会产生静电场。尽管静电场在电极之间和盘绕电极的区域最强，但它仍是会向外延伸必定间隔。当导电物体（比方手指）挨近这一区域时，电场就将产生改动，然后能够检测到两个主动电极间组成电容的改变。咱们正是经过该电容差来传感正在接触屏幕的手指方位。
当向部分电极间施加一个电势差时，其他电极可所以独自电绝缘，或是在电学上衔接为一个全体，但仍处于电绝缘状况。因而，它们能够有一个稳定但不知道的电势。
能否正确模仿这些电极、盘绕金属壳，以及其他介电物体，是核算电容改变的要害。让咱们来看一下怎么运用 AC/DC 模块的功用来完成这一点。
模仿腕表中的电容传感器
关于这样一个相对较小的设备，咱们能够模仿整个结构；传感器的尺度仅为 20 * 30 mm，两个电极之间的距离为 1 mm。关于更大的接触屏，更合理的做法是仅考虑整块屏幕中的一小块区域。
内嵌在玻璃表盘（通明）中的电容传感器。表带和表壳仅用于可视化意图。
如下图所示，模仿域为圆柱形区域。该区域包含了玻璃屏、手指以及手表周围的空气。咱们有理由以为周围空气尺度的影响会跟着尺度的增大而敏捷减小。
所运用的鸿沟条件
在这儿，空气域的鸿沟被设定为零电荷条件，以将鸿沟模仿为自在空间。此外，平行电极中的两个设定为接地鸿沟条件，电压场固定为零。笔直电极中的两个设定为终端鸿沟条件，电压为稳定值。终端鸿沟条件将主动核算电容。其他一切鸿沟都经过悬浮电位鸿沟条件模仿。
可视化有限元模型。手指（灰色）、电屏蔽（橙色），以及一切未鼓励的电极（赤色和绿色）均经过悬浮电位鸿沟条件模仿。在两个电极（白色和黑色）上施加了电势差。部分表盘（青色）被躲藏。其他一切面则运用了电绝缘鸿沟条件（蓝色）。空气和表盘进行了体网格剖分。为清楚起见，仅显现了部分外表上的网格。
悬浮电位鸿沟条件用于表明电荷可自在从头散布的一组外表。设定的意图是为了模仿具有稳定但不知道电势的物体鸿沟。这是在外部施加静电场的成果。
几组面上运用了这类悬浮电位鸿沟条件，比方手表的底面，它代表了玻璃壳下的电屏蔽。当时未被鼓励的电极是独自的悬浮电位鸿沟条件中的一部分（假定一切电极在电学上衔接在一起）。留意，可运用悬浮电位组选项来答应每个物理上独立的鸿沟浮动到不同的稳定电压上。也能够将任何组合的电极经过归入相同的组来把它们在电学上衔接在一起。
手指鸿沟（包含在模型中时）也运用了悬浮电位鸿沟条件。假定相对空气和介电层，人体相对来说是良导体。
所用资料
这儿只用到了两种不同的资料。大部分域中运用了预置空气资料，介电常数设定为 1。屏幕运用了预置石英玻璃资料，以给予它较高的介电常数。
尽管屏幕自身是由不同资料组成的三明治状夹层结构，咱们能够假定一切层都有相同的资料特点。因而，无须清晰模仿它们间的每个鸿沟；一切层都处理为一个独自的域。
对电场值对数的色彩可视化。因为手指看作悬浮电位，其内部电场可疏忽。
运用自适应网格细化所取得的准确
要取得准确的成果就要有满足细化的有限元网格，以解析电压场的空间改变。尽管咱们核算前不知道电压场中最剧烈的改变将出现在哪里，但能够经过自适应网格细化来让软件自行决定哪里需求更小的网格单元。
咱们运用了几回自适应网格细化，成果如下表所示。这些成果是在装备有 3.7 GHz 八核至强处理器、64 GB 内存的核算机上得出的：
从上表能够推断出，咱们能够从一个十分粗化的网格开端，然后运用自适应网格细化来得到更准确的电容值。不过，这样做会添加内存运用并延伸求解时刻。电容百分比差异针对的是网格最细化的状况。
核算电容矩阵
到目前为止，咱们只重视了阵列中两个电极间电容的核算。实践上，咱们希望能核算电容阵列中一切电极间的电容，即电容矩阵。该对称方阵界说了体系中一切电极上所施加电压和电荷之间的联系。对由 n 个电极和一个接地组成的体系，矩阵为：
这些对角和非对角项由软件主动核算得到，这部分内容将在后续博文中更具体介绍。
小结
咱们研讨了使用 AC/DC 模块的静电模仿功用来求解电容接触屏设备的示例。尽管这儿出于介绍意图简化了几许，但所介绍的技巧也适用于更杂乱的结构。
当求解这类有限元模型时，对所求物理量收敛性的研讨十分重要（在本例中，一般为电容相关于网格细化的状况）。自适应网格细化功用极大提升了该模型验证过程的主动化程度。
