Dassault Systèmes 

최근 우리는 휴대폰 터치스크린부터 스마트 가전제품, 지하철역의 자동 발권기 등에 이르기까지 매일 수많은 터치스크린을 접하게 됩니다. 이러한 스크린의 사용 편의성과 직관적인 반응은 모두 손가락 표면이 스크린을 두드릴 때 감지하는 품질에 달려 있습니다.

수년에 걸쳐 다양한 유형의 센서가 개발되어 왔고 그 중 커패시티브 센서는 터치 스크린 기술에서 가장 널리 사용되는 센서입니다. 커패시티브 센서는 전자기적 특성으로 사람의 손가락을 감지하는데 가장 적합한 센서로, 손가락과 센서 사이에 여러 층의 유리 및 플라스틱 소재를 사용할 수 있습니다.

 

 

터치스크린 어플리케이션을 위한 커패시티브 센서 설계

이러한 센서를 설계할 때 고려해야 할 여러가지 측면이 있습니다. 이러한 감지 시스템의 효율성과 관련해서는 감지 정확도(특히 화면이 작아지고 해상도가 높아질 때)와 감지 속도라는 두 가지 주요 고려 사항이 있습니다.

스마트워치 화면에는 강도를 제공하고 정보를 표시하는 매체 역할을 하는 다양한 레이어가 포함되어 있습니다. 그림 1과 같이 화면 어셈블리는 케이스에 들어있고 센서는 스크린 레이어 뒤에 있습니다.

 

 

센서 배열은 그리드로 배치되어 있으며 독립적으로 제어할 수 있는 전극의 행과 열로 구성됩니다.

그리드의 각 행과 열 사이에는 커패시턴스가 존재하며 사람의 손가락이 그리드에 접근하면 이러한 행과 열의 커패시턴스가 변경됩니다.

 

 

인체 모델이 포함된 커패시티브 센서 분석

 

그리드의 개별 행과 열은 순차적으로 excitation됩니다.

 

CST Studio suite은 정전기 분석을 사용하여 서로 다른 전위와 접지에서 행과 열 사이의 커패시턴스를 자동으로 계산합니다.

계산 결과로 도출된 커패시턴스 매트릭스는 그림 3에서 확인할 수 있으며 이로 인해 그리드의 정전기적 동작을 완전히 특성화하고 회로 시뮬레이션 중에 유한 요소 모델의 차수 감소 표현으로 사용할 수 있습니다.

 

 

CST Studio Suite은 손가락 모델을 포함하여 인체 모델에 대한 라이브러리를 제공합니다. 이러한 모델을 스마트워치 모델로 import하고 배치하는 것은 간단합니다.

일반적으로 손가락의 전위는 접지와 동일합니다. 전기장 분포와 커패시턴스 매트릭스에 대한 손가락의 영향이 모델에 통합될 수 있습니다.

 

 

화면 표면으로부터 다양한 거리에 있는 손가락 위치에 대해 분석을 진행해보았습니다. 그림 5는 예상한 것처럼 손가락이 스크린에 가까울수록 커패시턴스가 커지고 거리가 멀어질수록 작아지는 결과를 보여줍니다.

 

 

 

커패시티브 센서 감지 회로 최적화

 

인체 모델(손가락)이 없는 회로와 있는 회로에 대해 커패시턴스 특성을 얻은 후, 감지 회로를 최적화하여 감지 속도를 향상시켜야 합니다.

센서 그리드의 각 행과 열은 전압 제어 스위치에 연결되어 전체 그리드를 초당 여러 번 순차적으로 excitation할 수 있습니다.

회로 구성 요소의 최적화는 사용자의 손가락 움직임에 대한 실시간 느낌에 해당하는 센서 어레이의 가능한 가장 빠른 응답 시간을 보장합니다.

 

 

회로의 응답은 회로 구성 요소의 전압 강하에 의해 측정됩니다. 전압 강하가 빠를수록 손가락 위치 감지 속도가 빨라지고 센서의 주기해상도가 향상됩니다.

그림 6의 P1 (프로브1) 위치의 전압 특성은 그림 7에 나타납니다. 회로는 일정 시간 동안 충전되며, 그 후에는 전원 연결이 중단되고 회로가 방전됩니다. 감지는 프로브 신호의 제로 크로싱 지점에서 수행됩니다.

 

 

 

CST Studio Suite Schematic을 사용하면 이전에 다양한 손가락 위치에 대한 유한 요소 솔루션에서 계산된 등가 커패시턴스 매트릭스로 스마트워치 및 손가락 모델 표현을 포함하는 신속한 회로 시뮬레이션이 가능합니다.

매우 빠른 최적화 연구를 수행하여 다양한 회로 구성 요소(예: 레지스터 및 커패시터)의 값을 최적화하여 가장 빠른 감지 시간을 얻을 수 있습니다. 새로운 유한 요소 솔루션을 다시 실행할 필요가 없으므로 최적화는 몇 초 또는 몇 분 안에 수행될 수 있습니다.

따라서 이러한 터치스크린 장치 제조업체는 새로운 유형의 기하학적 윤곽선 및 화면 제조 공정에 맞게 커패시티브 감지 레이아웃을 신속하게 최적화하고 장치의 가장 현실적인 반응을 위한 최상의 감지 특성을 보장할 수 있습니다.

 

 

 

 

결론

 

터치 스크린은 모든 유형의 소비자 장치에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 커패시티브 센서는 비용을 절감하고 감지 정확도를 향상시킬 수 있는 솔루션이라고 할 수 있습니다.

 

CST Studio Suite은 이러한 커패시티브 센서를 모델링하고 최적화할 수 있는 완벽한 기능을 제공합니다. 유한 요소 솔버, 회로 시뮬레이터 및 인체 모델은 설계자에게 설계를 검증하고 개선할 수 있는 빠르고 쉬운 방법을 제공합니다. 프로토타입의 수를 크게 줄일 수 있으며 감지의 정확성 및 대기 시간과 관련된 모든 잠재적인 문제를 설계 초기 단계에서 해결할 수 있기 때문에 비용과 시간이 많이 드는 재설계 프로세스를 상당히 줄여볼 수 있습니다.

 

 

본 자료는 다쏘시스템 홈페이지의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

원본 : 다쏘시스템 홈페이지