介绍
从我们手机的触摸屏，到控制智能家用电器和从地铁站的自动售票机购买车票，我们每天都要与大量的触摸屏进行交互。这种屏幕的易用性以及它们反馈的直观反应都取决于我们手指滑过屏幕并点击屏幕时的检测质量。
多年来已经开发了各种不同类型的传感器，而电容式传感器仍然是触摸屏技术中使用最广泛的传感器。这些电容式传感器最适合通过其电磁特性来检测人类手指的存在，并允许手指和传感器本身之间存在多层玻璃和塑料材料。
为触摸屏应用设计电容式传感器
在这种传感器的设计中，有许多方面必须考虑。当谈到这种检测系统的效率时，有两个主要的考虑因素:检测的准确性(特别是当屏幕变得更小并且分辨率增加时)和检测的速度。
智能手表电容传感器设计和建模
智能手表屏幕包含各种不同的层，这些层提供了力量，并作为显示信息的媒介。屏幕组件装在一个盒子里，传感器位于屏幕层的后面。
传感器阵列布置成网格状，由电极的行和列组成，可以独立控制。
网格中每行和每列之间存在已知的电容。当人的手指接近网格时，这些行和列的电容发生变化。
手指不在时的传感器电容分析
栅格的各个行和列以小的间隔被顺序激励。
该软件使用一系列静电分析自动计算不同电位的行和列与地之间的电容。所得到的电容矩阵完全表征了网格的静电行为，并且可以在电路仿真期间用作FE模型的降阶表示。
用电容传感器检测手指
CST Studio套件提供了一个人体模型库，包括人体手指的模型。将这些模型导入并放置到智能手表模型中非常简单。正常情况下，手指电位与地电位相同。手指对电场分布和电容矩阵的影响可以并入模型中。
在距离屏幕表面不同距离的八个不同手指位置进行了参数研究(见下图)。计算传感器网格各个部分的电容变化。该计算定义了检测的灵敏度范围。正如所料，当手指最靠近屏幕时，电容变化的影响最大，随着距离的增加，其影响逐渐减小。
电容式传感器检测电路的优化
一旦获得了没有手指和有手指的电路的电容特性，下一步就是通过优化检测电路来提高检测速度。
传感器网格的每一行和每一列都连接到一个压控开关，允许每秒多次顺序激励整个网格。电路元件的优化确保了传感器阵列尽可能快的响应时间，这对应于用户对其手指运动的实时感觉。
电路的响应通过电路元件上的压降来测量。电压下降越快，手指位置的检测越快，传感器的时间分辨率越好。在下图中，我们可以看到探针P1位置的电压特性。电路充电一段给定的时间，之后电源连接中断，电路放电。检测在探测信号的过零点完成。
CST Studio Suite原理图工具支持快速电路仿真，包括通过等效电容矩阵表示智能手表和手指有限元(FE)模型，该等效电容矩阵是根据一系列针对不同手指位置的FE解决方案计算得出的。
可以执行非常快速的优化研究，以优化不同电路组件(例如电阻器和电容器)的值，从而获得最快的检测时间。优化可以在几秒或几分钟内完成，因为它不需要重新运行任何新的有限元解。
因此，这种触摸屏设备的制造商可以针对任何新类型的几何轮廓和屏幕制造工艺快速优化其电容检测布局，并确保其设备的最佳检测特性和最真实的响应。
结论
触摸屏在所有类型的消费设备中越来越普遍。随着降低成本和提高检测精度的压力越来越大，电容式传感器正成为这些设备的首选解决方案。
CST Studio Suite提供一整套功能来模拟和优化此类电容传感器。它是最先进的有限元解算器、电路模拟器和人体模型，为设计人员提供了一种快速简便的方法来验证和改进他们的设计。可以显著减少原型的数量，并且可以在设计的非常早期阶段解决与检测的准确性和延迟有关的任何潜在问题，从而防止后期重新设计的昂贵过程。
