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在這篇文章中，我們將介紹 CST Studio Suite® 在設計與最佳化現代智慧型手錶中常見的電容式感測器時，所具備的專用功能。
前言
從我們手機的觸控螢幕、到操控智慧家電、再到在捷運車站的自動售票機購買車票，我們每天都在與各種觸控螢幕互動。這些螢幕的易用性，以及它們直覺的回饋感受，全都取決於當我們手指滑過表面並點擊螢幕時，螢幕對手指偵測品質的優劣。
多年來已經發展出多種不同型式的感測器，其中，電容式感測器仍然是觸控螢幕技術中應用最廣泛的一種。這些電容式感測器最適合藉由手指的電磁特性來偵測人類手指的存在，並允許手指與感測器之間隔著多層玻璃或塑膠材料。
電容式觸控螢幕感測器的設計
在設計這類感測器時，必須考量許多面向。就偵測系統的效率而言，主要有兩大關鍵：
- 偵測準確度（特別是當螢幕越做越小、解析度提升時）
- 偵測速度
智慧手錶的電容式感測器設計與建模
智慧手錶的螢幕由多層結構組成，這些層不僅提供強度，也作為顯示資訊的媒介。螢幕組件被裝設在外殼中，而感測器則位於螢幕層的後方。
感測器陣列以網格形式排列，由列與行的電極組成，且可獨立控制。
在這個網格中，每一列與每一行之間存在已知的電容值。當手指接近網格時，這些列與行的電容值會發生改變。
感測器在無手指存在時的電容分析
網格中的各列與各行會依序在小間隔下被激發。
軟體會自動計算不同電位下各列與各行與接地之間的電容，這是透過一系列靜電分析完成的。由此得到的電容矩陣能完整表徵該網格的靜電行為，並可在電路模擬中作為有限元素模型（FE model）的降階表示法。
利用電容式感測器偵測手指
CST Studio Suite 提供了人體模型的資料庫，其中包含手指模型。這些模型可直接匯入並放置於智慧手錶模型中。通常，手指的電位等同於接地。手指對電場分布以及電容矩陣的影響可以被納入模型中。
進行了一項參數化研究，模擬手指在螢幕表面不同距離下的八個位置（如下圖所示）。計算出感測器網格各部分電容的變化。此計算界定了感測器的靈敏度範圍。正如預期，當手指越接近螢幕時，電容變化的影響最大；隨著距離增加，其影響逐漸減弱。
電容式感測器偵測電路的最佳化
一旦獲得了有無手指情況下的電容特性，下一步就是透過最佳化偵測電路來提升偵測速度。
感測器網格中的每一列與每一行皆連接至一個電壓控制開關，以便在每秒內多次依序激發整個網格。電路元件的最佳化能確保感測器陣列的反應時間最快，使使用者能感受到即時的手指移動回饋。
電路的反應是透過測量電路元件上的電壓降來判斷。電壓下降越快，偵測手指位置的速度就越快，感測器的時間解析度也越高。如下圖所示，可以看到探針 P1 位置的電壓特性。電路會在一定時間內充電，之後與電源斷開，並允許電路放電。偵測則在探針訊號的過零點完成。
CST Studio Suite 的電路圖工具允許快速進行電路模擬，並以先前從不同手指位置的有限元素解計算出的等效電容矩陣，來表示智慧手錶與手指的有限元素模型。
可在數秒或數分鐘內進行快速的最佳化研究，針對不同電路元件（例如電阻與電容）的數值進行調整，以取得最快的偵測時間。此過程無需重新執行任何新的有限元素分析。
因此，這類觸控裝置的製造商可以快速針對任何新的幾何外觀與螢幕製程最佳化其電容式偵測配置，並確保裝置能提供最佳的偵測特性與最真實的操作回饋。
結論
觸控螢幕在各類消費性裝置中已日益普及。隨著降低成本與提升偵測精度的壓力不斷增加，電容式感測器正逐漸成為這些裝置的首選解決方案。
CST Studio Suite 提供完整的功能組合來建模與最佳化這類電容式感測器。其先進的有限元素求解器、電路模擬器以及人體模型，為設計者提供了一種快速且便利的方式來驗證與改進設計。藉此可大幅減少原型數量，並在設計的早期階段就解決偵測準確度與延遲的潛在問題，避免後期昂貴的重新設計流程。
原文轉載來自: Katie Corey – Capacitive Touchscreen Sensor Analysis
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