Senzorii capacitivi pentru măsurare deplasare și forță au o serie de avantaje. Un condensator constă dintr-o pereche de conductori; deoarece nu sunt implicate alte materiale, senzorii capacitivi sunt foarte robuști și stabili și se pot aplica la temperaturi ridicate și în medii dure. Dimensiunile senzorilor capacitivi pot varia de la extrem de mici (în Sistemele Micro-ElectroMecanice, MEMS) până la foarte mari (câțiva metri). Relația teoretică dintre deplasare și capacitate este guvernată de o expresie simplă, care în practică poate fi aproximată cu o acuratețe ridicată, rezultând o liniaritate foarte mare. Folosind construcții speciale, gama de măsurare a senzorilor capacitivi poate fi extinsă aproape fără limită, menținând acuratețea intrinsecă. Mai mult, datorită naturii analogice a principiului capacitiv, senzorii au rezoluție excelentă.

5.1 Capacitate și permitivitate

Capacitatea unui corp conductiv izolat este definită ca Q = C·V, unde Q este sarcina pe conductor și V este potențialul (relativ la "infinit", unde potențialul este zero prin definiție). Pentru a spune în mod diferit, atunci când o sarcină Q de la distanță infinită este transferată la conductor, potențialul său devine V=Q/C.

În practică, avem un set de conductori în loc de unul singur. Atunci când o sarcină Q este transferată de la un conductor la altul, rezultatul este o diferență de tensiune V egală cu Q/C; conductorii sunt încărcați opus cu +Q și respectiv -Q (fig.5.1). Din nou, pentru această pereche de conductori, Q = C·V, unde V este diferența de tensiune dintre acești conductori.

Figura 5.1 Relația dintre tensiune și sarcină.

De obicei, capacitatea este definită între doi conductori: această capacitate este determinată exclusiv de geometria setului complet de conductori și de proprietățile dielectrice ale materialului (neconductiv) dintre conductori și nu de potențialul conductorilor. Setul de conductori se numește condensator. O configurație bine cunoscută este un set de două plăci paralele, condensatorul plat cu capacitate

unde A este suprafața plăcilor și d este distanța dintre plăci. Aceasta este doar o aproximare: la marginile plăcii, câmpul electric se extinde în afara spațiului dintre plăci, rezultând un câmp neomogen în apropiere de margini (stray field sau fringe field).

Parametrul ε se numește permitivitate și descrie proprietăți dielectrice ale materialului dintre conductori. Este scris ca produsul lui ε₀, permitivitatea spațiului liber sau în vid (aproximativ 8,8 x 10^-12 F/m) și ε_r, permitivitatea relativă. Acesta din urmă este numit și constanta dielectrică a mediului dintre conductori. Pentru vid ε_r = 1, pentru aer și alte gaze, constanta dielectrică este fracționar mai mare, lichidele și solidele au valori mai mari (Tabelul 5.1).

Tabelul 5.1 Constantele dielectrice ale diferitelor medii și materiale de construcție [1, 2]

Pentru toate tipurile de configurații, capacitatea poate fi calculată [3]. Doi conductori paraleli drepți (fig. 5.2A) cu raza a și centrele la distanța d au o capacitate pe unitatea de lungime de:

Figura 5.2 Diferite configurații: (A) conductoare paralele; (B) conductoare coaxiale; (C) plăci paralele.

Un cablu coaxial (doi cilindri concentrici, figura 5.2B) cu diametrul exterior al conductorului central a și diametrul interior al ecranului b are o capacitate pe unitatea de lungime egală cu

Capacitatea altor configurații mai puțin simetrice poate fi calculată analitic, dar are ca rezultat expresii destul de complexe [3]. De exemplu, luați în considerare un condensator cu plăci plate (fig.2.2C) cu electrodul superior dreptunghiular (lățimea w2 și lungimea l) care se opune unui electrod bandă-lungă (de lățime w1) la distanța d. Capacitatea acestei structuri (așa cum este adesea întâlnită în senzorii de deplasare capacitivă) este exprimată după cum urmează [4]:

Oricum, pentru un dielectric omogen, capacitatea poate fi întotdeauna scrisă în forma

unde G este un factor geometric. Pentru condensatorul cu plăci paralele cu distanța între plăci d și dimensiunile plăcii infinite, G = A/d. Când plăcile au dimensiuni finite, ca de exemplu pentru structura descrisă de Ec. (5.4), G poate fi încă aproximat cu A/d; discutăm mai târziu condițiile pentru această apropiere.

Majoritatea senzorilor capacitivi pentru aplicațiile mecatronice se bazează pe schimbări în factorul geometric G, presupunând astfel o valoare constantă ε. Ca o aproximare corectă, valoarea pentru constanta dielectrică ε_r a aerului poate fi setată la 1. La mici modificări ale lui A sau d, totuși, abaterile de la această valoare trebuie luate în considerare, deoarece capacitatea C se modifică folosind Ec. (5.1) ca:

De fapt, ε depinde oarecum de compoziția aerului (vezi de exemplu [5] ):

unde pd, pc și pw reprezintă presiunea parțială a vaporilor de, respectiv, aer uscat, CO2 și vaporii de apă în mbar. Ad, Ac, Aw și Bw sunt parametrii empirici și T este temperatura absolută.

Mai mult, datorită efectelor de relaxare, ε pare să fie dependentă de frecvență. Condiția dielectrică este exprimată în notație complexă: ε = ε'- j ε", unde atât părțile reale cât și cele imaginare sunt dependente de frecvență. Pentru apă, dependența de frecvență este exprimată ca [2]:

unde τ_r este timpul de relaxare. Pentru apa in stare lichidă la 0°C, τ_r se ridică la 17,8x10^-12 s, ε_w(∞) ≈ 5 și ε_w(0) ≈ 88. În mecatronică, vom lua în calcul numai constanta dielectrică statică, adică valoarea la frecvențe mult sub frecvența de relaxare.

Majoritatea senzorilor de deplasare capacitivi funcționează în aer. Influența schimbărilor atmosferice asupra constantei dielectrice poate fi rezumată după cum urmează [5]: începând cu aer standard

(T = 293,15 K, pd = 100 kPa, pw = 117,5 Pa și pc = 30 Pa), constanta dielectrică se modifică cu:

• -2,3 × 10^-6 per K în temperatură,

• 5,3 × 10^-6 per kPa presiune absolută,

• 90 × 10^-6 per kPa presiune a vaporilor de apă și

• 9 × 10^-6 per kPa presiune CO2.

Efectele de temperatură pot fi reduse la minimum utilizând tehnicile de echilibrare (secțiunea 3.2) și materiale corespunzătoare ale electrozilor. Umiditatea nu poate fi ignorată în senzorii de deplasare capacitivă de înaltă precizie; fie că temperatura trebuie menținută suficient de mult peste temperatura punctului de rouă, fie că trebuie evitate efectele umidității prin utilizarea unor modele speciale [6].

Mulți senzori de deplasare capacitivi se bazează pe condensatoare cu plăci plate (fig.5.3). Fie distanța dintre plăci d, fie suprafața efectivă a plăcii A, se utilizează ca un parametru dependent de poziție. Alte forme sunt de asemenea utilizate ca senzori de deplasare, de exemplu, cea cilindrică din figura 5.3C. Când se folosește expresia aproximată (5.1), se face o eroare din cauza câmpurilor stray (fringes) la marginile plăcilor. Implicația practică a acestei erori este o relație neliniară între deplasare și capacitate.

Figura 5.3 Senzori de deplasare capacitivi: plăci plate (A) și (B); cilindric (C).

Efectul câmpurilor stray poate fi redus prin aplicarea protecției. Un electrod este împământat; celălalt electrod activ al condensatorului este complet înconjurat de un electrod conductiv suplimentar în același plan și izolat de electrodul activ (figura 5.4). Potențialul electrodului de protecție este făcut egal cu cel al electrodului activ (protecție activă), folosind un amplificator tampon (Anexa C3). Rezultatul este că câmpul electric este omogen pe suprafața totală a electrodului activ, presupunând electrozi de protecție infiniți și o lățime a spațiului zero între cei doi electrozi.

Figura 5.4 (A) Câmpurile fringe și (B) paza activă reduce câmpurile fringe. (câmpuri magnetice periferice din exteriorul miezului magnetic).

Totuși, deoarece electrodul de protecție are dimensiuni finite și lățimea spațiului nu este zero, apare o eroare reziduală. Această eroare depinde de dimensiunile electrodului de protecție și de lățimea spațiului [3]

unde d este distanța dintre plăci, x este lățimea electrodului de protecție și s este lățimea spațiului între electrozii de protecție și cei activi. Ca regulă generală, pentru x/d și d/s egale cu 5, aceste erori sunt mai mici de 1 ppm.

În cele din urmă, când plăcile nu sunt exact în paralel, Ec. (5.1) nu se mai păstrează. Eroarea relativă la un unghi oblic α este de ordinul α²/3 [7]. Pentru 1 grad (sau 0,017 rad), aceasta corespunde unei erori de numai 10^-4.

5.2 Configurări de bază ale senzorilor capacitivi

5.2.1. Senzori capacitivi cu plăci-plate

Senzorii capacitivi sunt foarte utili pentru măsurarea deplasării folosind variația factorului geometric G în Ec. (5.5). Dacă una dintre plăci face parte dintr-o membrană deformabilă, presiunea poate fi de asemenea măsurată utilizând principiu capacitiv. În general, câmpurile electrice sunt mai ușor de gestionat decât câmpurile magnetice: prin protecție (activă), este ușor să se creeze câmpuri electrice omogene pe o arie largă. Acesta este principalul motiv pentru care senzorii de deplasare bazați pe principiile capacitive au o liniaritate excelentă.

Figura 5.5 prezintă, schematic, două configurații de bază pentru deplasarea liniară. Obiectul în mișcare a cărui deplasare trebuie măsurată este conectat la placa superioară. În aceste exemple, parametrul A (suprafața efectivă) variază în funcție de deplasare.

Figura 5.5 Senzori de deplasare capacitivi, de bază, cu aria suprafeței variabilă: (A) mod singur și (B) mod diferențial.

In Fig. 5.5A o deplasare liniară a plăcii superioare în direcția indicată introduce o schimbare de capacitate, care este, în mod ideal, ΔC = εΔx.a/d, sau o schimbare relativă ΔC/C = Δx/x. Toți ceilalți parametri trebuie să fie constanți în timpul mișcării plăcii. Senzorii capacitivi pentru rotație pot fi configurați într-un mod similar, cu plăci segmentate care se rotesc relativ una cu cealaltă, unde distanța d rămâne constantă. Pentru a asigura o relație liniară între deplasare și schimbarea capacității, trebuie să se aplice protecția activă în toate cazurile.

Figura 5.5B prezintă un traductor diferențial (vezi capitolul 3: Aspecte de incertitudine): o deplasare a plăcii superioare determină schimbarea simultană a două capacități, dar cu semn opus: ΔC1 = -ΔC2 = εΔx.a/d. Poziția inițială este definită ca poziția pentru care C1= C2. Pentru această poziție (Δx = 0), o modificare în a sau d (datorată, de exemplu, jocului, răsturnării sau modificării temperaturii) nu introduce o eroare zero, atât timp cât ambele schimbări de capacitate sunt egale.

Un avantaj suplimentar al configurației diferențiale este intervalul dinamic extins: în poziția de referință sau inițială, capacitățile celor două condensatoare sunt egale. Deoarece numai diferența este procesată, semnalul inițial de ieșire este zero. O deplasare mică are ca rezultat un semnal de ieșire mic care poate fi amplificat electronic fără probleme de suprasarcină. O singură capacitate în poziția inițială poate produce un semnal de ieșire considerabil, care nu poate fi amplificat mult mai mult decât dacă este compensat mai întâi printr-un semnal de offset egal, dar opus. Dar, compensarea de către un senzor de formă egală este mai stabilă decât compensarea în domeniul electric.

Un dezavantaj al configurațiilor prezentate în figura 5.5 este conexiunea electrică la placa mobilă, necesară pentru alimentarea și transmiterea semnalelor de măsurare. Figura 5.6 prezintă o configurație fără a fi nevoie de o astfel de conexiune.

Figura 5.6 Senzor de deplasare capacitiv diferențial cu citire curent: (A) vedere de sus a unui condensator plat și (B) modelul electronic.

Placa mobilă acționează aici ca un electrod de cuplare între doi electrozi egali, plani și un electrod de citire (în mijloc). Toți electrozii fixați sunt în același plan. În poziția inițială, electrodul de cuplare este doar la mijlocul celor două plăci active, alimentat de semnale sinusoidale cu fază opusă. În această poziție, ambele semnale (echilibrate) sunt cuplate la electrodul de citire unde se anulează, rezultând un semnal de ieșire zero. Atunci când electrodul superior se deplasează într-o poziție din afara centrului, cuplajul devine asimetric, rezultând un semnal de ieșire proporțional cu deplasarea și cu o fază care indică direcția mișcării. Folosind modelul simplificat din figura 5.6B, este ușor de verificat că curentul prin electrodul de citire satisface:

Rețineți că C3 nu se schimbă cu deplasarea: suprafața sa rămâne neschimbată. Când V1 =- V2 = Vi, curentul de ieșire I0 este direct proporțional cu diferența de capacitate C1- C2. Într-o configurație diferențială,

C1 = C0+ΔC și C2 = C0−ΔC, deci

Curentul de ieșire pare a fi proporțional cu ΔC și în consecință cu deplasarea Δx. Faza sa este fie +π/2, fie -π/2 în funcție de direcția deplasării. Trebuie subliniat faptul că proporționalitatea este valabilă numai atunci când efectele de câmp fringe sunt mici sau când aceste câmpuri sunt eliminate prin protecție.

O schemă alternativă de citire este prezentată în figura 5.7A. Două plăci adiacente sunt alimentate cu două tensiuni sinusoidale cu diferențe de fază π/2. Tensiunile sunt cuplate capacitiv la electrodul comun de citire, prin placa mobilă a condensatorului, similar cu desenul din figura 5.6A. Atunci când electrodul în mișcare este chiar vizavi de placa din stânga, faza curentului de ieșire este doar π/2, conform Ec. (5.10). Când electrodul ajunge exact deasupra plăcii drepte, faza este π. Când se trece de la un electrod la altul, faza de ieșire se modifică treptat peste π/2 rad.

Figura 5.7 Citirea fazei unui senzor de deplasare capacitiv: (A) structură și (B) coordonate.

Pentru a calcula faza curentului de ieșire în dependență de deplasare, definim coordonatele ca în figura 5.7B. Centrul plăcii mobile se mișcă de la x = 0 la x = p. Pentru simplitate, toate plăcile au o lățime egală p. Să presupunem că tensiunile de intrare sunt

Potrivit Ec. (5.10), curentul de ieșire este egal cu

Capacitățile C1 și C2 au valoarea ε/d = c'w, cu a lungimea plăcii (constantă) și w lățimea efectivă, mergând de la p la 0 pentru C1 și de la 0 la p pentru C2. În figura 5.7B se găsesc capacitățile:

Înlocuirea în Ec. (5.12) are ca rezultat

unde K este o constantă. Unghiul de fază satisface relația

Faza variază cu deplasarea într-un mod ușor neliniar (figura 5.8). Câmpurile stray provoacă abateri de la liniaritate, dar chiar și cu protecție relația este în esență neliniară. Dar, prin modificarea formei de electrod, este posibil să se obțină o relație aproape liniară.

Figura 5.8 Faza curentului de ieșire față de deplasare.

Senzorii de deplasare capacitivi pot fi, de asemenea, configurați într-o configurație cilindrică, ca în figura 5.3C. Principiul este același, dar o configurație cilindrică este mai compactă, are capacități stray mai puține și, prin urmare, o liniaritate mai bună. Acest tip de senzor capacitiv este denumit condensator diferențial liniar variabil (LVDC). Senzorul prezintă o liniaritate extrem de bună (mai bună de 0,01%) și o sensibilitate mică la temperatură (până la 10 ppm/K).

Versiunea de rotație a LVDC se numește RVDC (condensator diferențial variabil rotativ). Se bazează pe același principiu, dar este configurat pentru deplasări unghiulare. Sensibilitatea unghiulară se obține folosind electrozi în formă triunghiulară. Specificațiile suplimentare referitoare la acești senzori sunt prezentate în tabelul general ( tabelul 5.2 ) din secțiunea 5.4.

Tabelul 5.2 Specificațiile tipice ale diferiților senzori capacitivi

Limitele inferioare ale liniarității, stabilității și acurateței acestor senzori de precizie sunt stabilite de umiditatea aerului: vaporii de apă din aer se pot condensa în margini și în golurile mici ale construcției (condensare capilară), înlocuind local astfel aerul (cu o constantă dielectrică de aproximativ 1) cu apă lichidă (cu ε_r ≈ 80, vezi Tabelul 5.1). Chiar și la temperaturi mai mari decât punctul de rouă, vaporii de apă pot condensa datorită contaminării: particulele higroscopice atrag molecule de apă și acționează ca nuclee de condensare. Aceasta înseamnă că, pentru performanțe maxime, temperatura senzorului trebuie să fie menținută cu mult peste temperatura punctului de rouă.

5.2.2 Senzori capacitivi multiplăci

Domeniul de măsurare al senzorilor capacitivi liniari discutat până acum este limitat la aproximativ lățimea plăcii mobile (figurile 5.5-5.7). Dar, intervalul poate fi extins simplu prin repetarea structurii de bază a configurației discutate anterior. Figura 5.9A prezintă acest concept [8]. Se compune dintr-un șir de secțiuni similare cu cea din Figura 5.7. Atunci când placa mobilă se apropie de capătul unei secțiuni, ea intră simultan în secțiunea următoare.

Figura 5.9 Setarea de bază a unui senzor de deplasare capacitiv multiplăci cu citire de fază:
(A) extinderea intervalului prin electrozi multipli; (B) caracteristică de transfer liniarizată.

Electrozii fixați din șir sunt conectați la tensiuni de unde sinusoidale cu diferențe de fază de π/2. Când plăcuța mobilă se mișcă de-a lungul a patru secțiuni succesive, faza tensiunii pe această placă se schimbă de la 0 la 2π (figura 5.9B). Aceasta se repetă pentru fiecare grup de patru electrozi. Prin urmare, faza de ieșire se modifică periodic cu deplasare, cu o perioadă de patru ori mai mare decât pasul plăcii p. O ieșire neechivocă este obținută prin urmărirea numărului de cicluri trecute, folosind un contor incremental.

Liniile drepte din figura 5.9B sunt de fapt patru curbe în formă de S din fig. 5.8 în serie, dar neliniaritatea poate fi compensată prin modelarea adecvată a electrozilor fixați. Diferențele de fază pot fi măsurate cu rezoluție ridicată, până la 0,1 grade. Prin repetarea periodică a structurii, se obține o gamă largă combinată cu rezoluție înaltă. O aplicație binecunoscută se găsește în unele șublere electronice: acestea au o gamă de aproximativ 20 cm și o rezoluție de 0,01 mm.

Senzorii de unghi capacitivi funcționează în mod similar (figura 5.10). Plăcile segmentate fixe sunt dispuse într-un șir circular, iar placa mobilă este o paletă conectată la arborele rotativ.

Figura 5.10 Structura de bază a unui senzor unghiular capacitiv multiplăci;
paleta se rotește între electrozii segmentați fixați și cel comun.

Provocarea proiectantului este de a obține cea mai înaltă rezoluție posibilă pe o gamă fixă ​​de 2π rad. S-au propus diverse soluții, de exemplu, mai mulți electrozi pe partea în mișcare. Evident, electrozii de protecție sunt indispensabili aici, pentru reducerea câmpurilor stray. Rezoluția senzorilor unghiulari capacitivi multiplăci poate fi la fel de mare ca 18 biți sau 5s dintr-un arc [9].

5.2.3. Senzori capacitivi din siliciu

Tehnologia microprelucrării în siliciu oferă posibilitatea de a construi senzori capacitivi extrem de mici. Tehnologia permite fabricarea membranelor foarte subțiri, similare senzorilor piezorezistivi, așa cum este descris în capitolul 4, Senzori rezistivi. În loc să adauge piezorezistoare la elementul de arc, membrana flexibilă este opusă unui electrod plat fix, construind un condensator miniaturizat plat. O forță aplicată sau diferența de presiune determină deformarea membranei, rezultând o schimbare de capacitate care poate fi măsurată cu ușurință. Dezvoltarea tehnologiei MEMS au dus la realizarea microsenzorilor și pentru alte cantități, de exemplu, accelerația. Aceste sisteme găsesc acum aplicații pe scară largă în segmentele de piață pentru automobile și alte segmente mari de piață.

Aceste tehnologii sunt extrem de atractive pentru accelerometre, giroscoape și senzori de presiune (gaz), dar mai puțin pentru senzori de forță din cauza susceptibilității la deteriorarea mecanică a pieselor mobile subțiri. Accelerometrele primesc o atenție deosebită deoarece forța este introdusă pur și simplu prin inerția unei mase seismice fabricate pe același cip. Senzorii capacitivi pentru alți măsuranzi sunt de asemenea considerați pentru a fi implementați în tehnologia MEMS, de exemplu, senzorul unghiular este discutat în Ref. [10].

Din punct de vedere tehnologic, totuși, un senzor capacitiv este mai dificil de realizat comparativ cu omologul său rezistiv. Suprafețele diferitelor părți care formează o capacitate trebuie să fie prevăzute cu un strat conductor care acționează ca una dintre plăcile plate ale condensatorului. În plus, distanța dintre plăci ar trebui să fie redusă, pentru a obține o capacitate și o sensibilitate rezonabilă, iar alinierea celor doi electrozi este, de asemenea, o etapă critică de prelucrare.

5.2.3.1 Senzori de presiune din siliciu

Primii senzori de presiune capacitivi din siliciu constau dintr-un teanc de trei straturi: un strat suport, o membrană (siliciu gravat) și un strat superior cu electrodul opus-fix. Stratul suport și stratul superior pot fi fabricate din siliciu sau sticlă. Circuitul electronic se află pe cipul membranei sau pe stratul superior (siliciu). Straturile sunt conectate folosind tehnici speciale. Figura 5.11 prezintă câteva exemple [11-13] ale senzorilor de presiune capacitivi integrați (scala verticală mult mai mare decât cea orizontală). În configurația din figura 5.11B, electronica și membrana sunt fabricate din substraturi separate, pentru a spori libertatea tehnologică: procedeele pentru gravarea membranelor și depunerea circuitelor electronice nu sunt pe deplin compatibile. Figurile arată doar un aspect general; detalii pot fi găsite în documentele citate.

Figura 5.11 Structuri de bază ale senzorilor de presiune capacitivi integrați:
(A) cu placă superioară de sticlă și (B) cu trei straturi de siliciu.

Sursa: De la (A) C.S. Sander, J.W. Knutti, J.D. Meindl, A monolithic capacitive pressure sensor with pulse-period output. IEEE Trans. Electron Devices ED-27 (5) (1980) 927–930; Y.S. Lee, K.D. Wise, A batch-fabricated silicon capacitive pressure transducer with low temperature sensitivity. IEEE Trans. Electron Devices ED-29 (1) (1982) 42–56; (B) După A. Hanneborg, T.-E. Hansen, P.A. Ohlckers, E. Carlson, B. Dahl, O. Holwech, An integrated capacitive pressure sensor with frequency-modulated output. Sens. Actuators A 9 (1986) 345–351.

O mare varietate de structuri alternative au fost propuse în ultimul deceniu. În Ref. [14] cipul membranei este poziționat oglindit la partea superioară, în timp ce o capacitate de referință este inclusă în structură. O structură fără stratul superior separat este descrisă în Ref. [15]. Ambele plăci de condensator sunt construite pe cipul de membrană utilizând microprocesarea suprafeței. Intervalul este realizat prin gravarea selectivă a unui așa-zis strat sacrificat, poziționat între cele două straturi de electrozi. Și aici a fost integrat un condensator de referință (insensibil la presiune).

Datorită dimensiunilor mici ale structurilor (de ordinul milimetrilor), valoarea capacității este mică, iar modificarea cauzată de măsurand este chiar mai mică. O capacitate (inițială) mai mare poate fi realizată prin reducerea distanței dintre plăci. Dar, forțele electrostatice (atractive) între plăci pot duce ușor la "flambare" și la scurtcircuitarea condensatorului. Alternativa este creșterea ariei suprafeței efective. Acest lucru poate fi realizat printr-o structură dielectrică de suport, așa cum este aplicată în Ref. [16]. Senzorul este alcătuit din două substraturi suport procesate, formate față în față și rezultând un spațiu îngust între ele. După întărirea celor două substraturi, substratul stratului superior este îndepărtat prin gravare selectivă, lăsând o membrană subțire (2,5 pm) ca rămășița substratului superior. Membrana este susținută de o rețea hexagonală dintr-un material dielectric care împiedică căderea acesteia. În acest fel se realizează o arie relativ mare, combinată cu un spațiu îngust și, prin urmare, se poate obține o capacitate și o sensibilitate mai mare decât cu alte tehnici.

5.2.3.2 Accelerometre cu siliciu

Multe accelerometre se bazează pe tehnici capacitive de detectare, cum ar fi accelerometrul cu feedback, așa cum este introdus în capitolul 3, Aspecte de incertitudine. Cu câteva decenii în urmă s-a arătat că sistemul complet poate fi integrat pe siliciu, rezultând un dispozitiv mic și ușor de montat [17].

Accelerometrele capacitive realizate în tehnologia MEMS sunt în principiu structurate așa cum sunt arătate în figura 4.23 (un accelerometru piezorezistiv): ele constau dintr-o masă seismică suspendată pe grinzi flexibile. În loc de piezorezistoare integrate, electrozii sunt depuși pe locuri potrivite în structura care formează condensatoare plate. Masa se deplasează datorită unei forțe inerțiale, rezultând o schimbare a distanței dintre plăci, ceea ce face să se schimbe capacitatea. Printr-o configurație specială cu trei sau patru mase și electrozi asociați, este posibil să se realizeze un accelerometru 3D într-o singură bucată de siliciu [18]. Împreună cu senzorul MEMS, electronica suplimentară și procesarea semnalelor, de exemplu regulatoare de tensiune sau un circuit integrat ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) și un senzor de temperatură pentru compensare offset pot fi găzduite într-un mic pachet [19].

Senzorii de accelerație microfabricați suferă și ei de capacități mici și, prin urmare, au o sensibilitate scăzută. O capacitate (inițială) mai mare ar putea fi realizată de o structură de suport dielectrică (vezi secțiunea precedentă privind senzorii de presiune). O altă modalitate este de a mări aria suprafeței efective. Acest lucru este realizat în tehnologia MEMS, permițând construirea așa-numitelor structuri de pieptene. Figura 5.12 prezintă configurația de bază.

Figura 5.12 Principiul structurii pieptene în tehnologia MEMS.

Atunci când cei doi piepteni se mișcă relativ unul la celălalt în direcția săgeții, aria suprafeței efective a condensatorului se schimbă. Cu cât sunt mai mulți dinți, cu atât aria suprafeței este mai mare și cu atât este mai mare capacitatea. Astfel de structuri, și chiar configurații mai complicate pot fi realizate cu ușurință folosind tehnologia avansată MEMS. Aceeași structură este utilizată și pentru actuatoare capacitive, așa-numitele mecanisme pieptene.

5.3 Interfața

5.3.1 Interfața cu circuite analogice

În senzorii de înaltă rezoluție și microsenzori, variațiile de capacitate care trebuie măsurate pot fi extrem de mici (până la fracțiuni de femtofarad sau 10^-15F). Este necesară o interfață adecvată pentru a menține performanța intrinsecă a sistemului senzor. Discutăm despre patru metode majore de interfață analogică pentru senzorii capacitivi (Figura 5.13):

1. măsurarea impedanței (de preferință într-o punte);

2. măsurarea curent-tensiune (cu amplificator operațional),

3. măsurare de frecvență (C determină frecvența într-un oscillator-LC), și

4. măsurare timp (încărcare și descărcare C cu curent constant).

Figura 5.13 Metode de măsurare a variațiilor capacității:
(A) punte; (B) și (C) măsurare curent-tensiune - singură și diferențială ;
(D) măsurarea frecvenței; (E) măsurarea timpului.

Pentru fiecare dintre aceste metode, dăm o scurtă analiză (vezi Anexa C pentru transferul configurațiilor de amplificator operațional). Transferul punții (figura 5.13A) este:

Într-o configurație cu un singur senzor, C1=C+ΔC and C2=C,

Transferul este independent de frecvență, dar neliniar. Într-o configurație diferențială sau echilibrată,

C1=C+ΔC și C2=C−ΔC, deci

În mod clar, modul diferențial oferă o mai bună liniaritate și un interval dinamic mai larg (a se vedea și Capitolul 4, Senzori rezistivi, pe punți de rezistență). O măsurare corectă a tensiunii de ieșire a punții necesită un amplificator diferențial cu impedanță de intrare ridicată și un raport mare de rejecție a modului comun.

Circuitele de interfață bazate pe măsurătorile de curent-tensiune sunt prezentate în figurile 5.13B și C: prima pentru funcționarea mod singur și cea de-a doua pentru funcționarea mod diferențial. Dacă rezistența R este ignorată, funcția de transfer a circuitului cu mod singur este

și pentru modul diferențial:

Din nou, avantajul unei configurații echilibrate apare imediat din expresia (5.20), care este liniară, iar ieșirea este zero în starea inițială (capacități egale). Transferul este independent de frecvență dacă rezistența R din figura 5.13C este lăsată în afară. Totuși, circuitul nu funcționează corespunzător în acest caz (vezi Anexa C) datorită integrării curenților de offset și de polarizare ai amplificatorului operațional. Rezistența R împiedică circuitul să funcționeze în suprasarcină, dar determină transferul să cadă cu o frecvență descrescătoare de la aproximativ f = 1/2πRCf. Aceasta înseamnă că frecvența semnalului de interogare Vi ar trebui să fie aleasă cu mult peste această frecvență de tăiere (cut-off).

Când variația capacității maxime este mică, capacitatea de feedback (reacție) Cf ar trebui aleasă mică, pentru un câștig rezonabil al circuitului (după cum urmează din Ec. (5.20)). Totuși, capacitățile stray (cablare, capacitate de intrare a amplificatorului) stabilesc o limită la valoarea minimă pentru Cf (la câțiva pF). În senzorii capacitivi integrați, aceste capacități stray sunt foarte mici, permițând o capacitate mică de feedback, deci câștig mare.

Sensibilitatea este limitată de stabilitatea stării inițiale (în cazul în care ieșirea ar trebui să fie zero). Nici drift-ul amplitudinii, nici instabilitatea frecvenței oscilatorului nu afectează stabilitatea la zero, deoarece sunt comune celor doi senzori diferențiali. Performanța măsurării este limitată în principal de diferența de fază dintre cele două surse de tensiune AC. Ieșirea pare a fi foarte sensibilă pentru abaterile de la diferența necesară de fază de 180 de grade, fapt ce poate fi utilizat pentru a crea un convertor capacite-fază sensibil [20].

O metodă simplă, dar inexactă pentru măsurarea variațiilor capacității este conversia la frecvență, prezentată în figura 5.13D. Capacitatea este parte a unui circuit oscilator-LC care generează un semnal periodic cu frecvența

unde f0 este frecvența în starea inițială. Un avantaj al metodei oscilatorului este procesarea ușoară a semnalului cu un microprocesor: frecvența poate fi determinată prin simpla numărare a numărului de impulsuri de ceas în timpul unui ciclu al semnalului oscilatorului. Evident, celelalte elemente de circuit trebuie să fie stabile, iar procesul de oscilație ar trebui să fie garantat pe întreaga gamă de capacități. O analiză detaliată a unui circuit bazat pe acest principiu poate fi găsită în Ref. [21]. Interfața conține un sistem de feedback controlat cu microprocesor, cu un oscilator controlat în tensiune, care menține frecvența de acționare egală cu frecvența de rezonanță a circuitului-LC. Această interfață are o sensibilitate de 100 Hz/fF și o rezoluție de aproximativ 0,1 fF.

Un circuit de interfață care combină avantajele unui semnal de ieșire în timp și al liniarității înalte este dat în figura 5.13E, un exemplu de oscilator de relaxare. Capacitatea necunoscută este încărcată și descărcată periodic cu curenții I1 și I2. În timpul încărcării, Vc crește liniar cu timpul până când nivelul de histerezis superior al trigger-Schmitt (Anexa C) este atins. În acest moment, comutatoarele se întorc și capacitatea este descărcată până la atingerea nivelului de histerezis inferior. Rezultatul este un semnal de ieșire triunghiular periodic, cu amplitudine fixă ​​între nivelele trigger-ului Schmitt și o frecvență legată de capacitate conform cu:

unde Vs este gama de histerezis al trigger-ului Schmitt. Metoda oferă rezultate exacte, deoarece frecvența depinde numai de aceste niveluri fixe și de curentul de încărcare.

5.3.2 Interfața cu sistemele încorporate

În secțiunea anterioară, dispozitivul de detectare este întotdeauna un condensator al cărui parametru (A, d sau ε) variază datorită unui măsurand. Alternativa acestei așa-numite capacități interne este capacitatea externă, care se schimbă prin prezența umană. În sistemele încorporate, o modalitate comună de măsurare a capacității este măsurarea timpului de încărcare sau descărcare a acestui condensator sau senzor capacitiv. Utilizarea unei rețele-RC permite proiectantului să stabilească ordinea de mărime a timpului de încărcare măsurat. Acest lucru permite, de asemenea, un compromis în implementarea dintre timpul de eșantionare și rezoluție: un timp de măsurare lung permite o rezoluție ridicată (mai multe etape de timp), dar și o rată mică de eșantionare (cauzată de timpul dintre măsurători). Metoda este potrivită atât pentru capacitățile externe, cât și pentru cele interne.

Figura 5.14 prezintă o metodă schematică pentru măsurarea variațiilor provocate extern, în capacitate, folosind un microcontroller. O parte a unui condensator este formată dintr-o piesă de material conductor, cum ar fi o antenă sau o secțiune a unei folii. Un pin al microcontrolerului este folosit pentru a încărca acest condensator; celălalt pin este utilizat ca intrare digitală pentru a detecta momentul în care această tensiune de încărcare depășește un anumit nivel, definit în mod normal de nivelul logic al intrării digitale. Într-un sistem microcontroller de 5V, cum ar fi Arduino discutat mai devreme, acest nivel se situează în jur de 2,5 V. Aceasta înseamnă că senzorul capacitiv este încărcat până când ajunge la 2,5 V. După aceea, senzorul capacitiv poate fi complet descărcat, făcând pinul de detecție o ieșire, pur și simplu prin scurtcircuitarea condensatorului pentru a-l descărca complet. De îndată ce senzorul capacitiv este complet descărcat, ciclul poate porni din nou. Rețineți că nici o tensiune analogică nu este măsurată, ci doar timpul necesar pentru a încărca complet condensatorul format de folie și prezența umană.

Figura 5.14 Detectarea unei capacități externe într-un sistem încorporat.

O abordare similară poate fi utilizată pentru măsurarea capacității interne (figura 5.15). Valoarea rezistenței R trebuie aleasă într-un interval astfel încât timpul de încărcare să poată fi măsurat cu o rezoluție suficientă de către sistemul microcontroller. Anexa D prezintă câteva exemple de coduri și listează câteva biblioteci care facilitează detectarea capacitivă (externă) utilizând o placă Arduino.

Figura 5.15 Măsurarea capacității cu o placă Arduino "imagine făcută cu fritzing.org "

Metoda descrisă utilizează pinii de intrare și ieșire pentru microcontroler pentru încărcarea, descărcarea și detectarea nivelului de tensiune al unui condensator. În loc de a detecta o variație a capacității, tensiunea utilizată pentru încărcarea condensatorului poate fi măsurată folosind această strategie. Cu valori fixe pentru condensator și rezistor, deci o valoare fixă ​​a RC, tensiunea de încărcare va fi determinată de tensiunea de intrare. Această abordare permite o conversie simplă, deși neliniară, de la analogic la digital, care poate fi implementată utilizând un singur pin de microcontroller. Deoarece neliniaritatea este extrem de previzibilă (este o rețea-RC de prim ordin), relația dintre timpul măsurat și tensiunea de intrare poate fi linearizată.

Figura 5.16 prezintă o placă Arduino cu placă de testare, rețea-RC (100 nF, 100 kΩ) și un potențiometru ca senzor analogic sau sursă de tensiune. În acest caz, tensiunea se măsoară simultan cu unul dintre pinii de intrare ai convertorului analogic-digital și cu rețeaua-RC conectată la pinul 2. Prin alegerea unei ieșiri la pinul 2, condensatorul poate fi complet încărcat (sau complet descărcat). După comutarea înapoi la intrare (impedanță ridicată), condensatorul va fi descărcat (sau încărcat) de tensiunea senzorului furnizată de potențiometru (care acționează aici ca senzor de poziție). Timpul de încărcare t depinde de V(t), dictat de V(t)=Vsource {1−e^−t/RC}, cu valori fixe pentru R și C.

Figura 5.16 Placa Arduino care măsoară o tensiune folosind o rețea-RC.

Această strategie permite transformarea oricărui pin de microcontroller obișnuit într-un pin de detectare analogic; mai ales atunci când cantitatea de intrări analogice este limitată (sau indisponibilă), această abordare ar putea fi benefică. Senzorii șir optici disponibili comercial, precum cel prezentat în figura 5.17, au deja condensatoare încorporate în acest scop, ținând cont de disponibilitatea limitată de obicei a intrărilor analogice pe sistemele microcontroller convenționale. Deși senzorul se află în domeniul optic, strategia de interfațare aplicată este capacitivă.

Figura 5.17 Senzor șir optic cu detecție capacitivă încorporată.

5.4 Aplicații

5.4.1 Senzori capacitivi pentru cantități legate de poziție și forță

Senzorii capacitivi sunt adecvați pentru măsurarea tuturor tipurilor de cantități legate de poziție: deplasare, rotire, viteză, accelerare și înclinare. Împreună cu un element elastic, senzorii de forță, presiune, cuplu și de masă pot fi realizați folosind principii capacitive. Majoritatea acestor senzori se bazează pe Ec. (5.1), indicând relația dintre valoarea capacității și parametrul geometric (de exemplu, aria suprafeței efective și distanța dintre plăci). Senzorii capacitivi sunt adecvați în special pentru aplicații cu solicitări mari (de ex. temperaturi extreme). Construcția mecanică este simplă și robustă. În plus, variațiile de capacitate extrem de mici (până la 1 fF) pot fi măsurate cu circuite simple de interfață. În cele din urmă, capacitățile stray și alte capacități datorate cablajului și amplificatoarelor pot fi eliminate cu ușurință folosind protecție, o împământare virtuală și o interfață adecvată.

Ca și în cazul tuturor senzorilor de deplasare, senzorii de deplasare capacitivi pot fi modificați pentru a îi face potriviți pentru măsurarea vitezei unghiulare, accelerației, forței, cuplului, masei și presiunii. Sunt recomandate configurații diferențiale și, dacă este cazul, și un principiu de feedback, pentru a reduce erorile intrinseci ale senzorului (vezi capitolul 3, Aspecte de incertitudine, pentru un accelerometru capacitiv bazat pe feedback). Tabelul 5.2 reia unele specificații ale senzorilor capacitivi comerciali pentru diferite cantități de măsurare.

Folosind condensator multiplacă circular discutat în secțiunea 5.2.2, poziția unghiulară și viteza unghiulară pot fi determinate cu acuratețe ridicată, așa cum a fost demonstrat în multe lucrări, de exemplu în Ref. [22-24]. Cu un design atent, senzorii de poziționare unghiulară pot avea o rezoluție de 18 biți, o reproductibilitate de 17 biți și o acuratețe absolută mai bună de 14 biți. Un senzor de unghi, fără contact, microprelucrat a fost deja menționat în secțiunea 5.2.3 [10]: acest senzor de unghi combină un principiu inductiv pentru conversia de la un unghi (în raport cu un câmp magnetic fix) la devierea unei micromase de polisiliciu și măsurarea capacitivă a acestei deviații. Un giroscop microprelucrat planar este descris în Ref. [25] cu un circuit de citire capacitiv echilibrat. O impresie grafică a acestei structuri microprelucrată, așa cum se poate observa în giroscoape și accelerometre, este prezentată în figura 5.18.

Figura 5.18 Accelerometru multiax pe o placă de testare cu structură internă MEMS.

Cu senzori capacitivi, cuplul pe axele (rotative) poate fi măsurat [26-28]. În unele dintre aceste aplicații, senzorul pe ax este pur pasiv, ceea ce înseamnă că nu este necesară alimentarea cu energie a axului. Transferul de informații către și de la ax este realizat fie prin inducție, fie prin tehnici capacitive pure.

Senzorul de masă capacitiv în Ref. [29] utilizează ca element elastic un arc metalic; acest senzor este proiectat pentru o sensibilitate la temperaturi joase, pentru care au fost selectate materiale stabile termic. Senzorul de forță capacitiv din Ref. [30] conține un dielectric elastic; configurația sa de bază este reprezentată în figura 5.19.

Figura 5.19 Strat 3D de senzor de forță cu dielectric elastic:
(A) și (B) secțiune transversală; (C) vedere de sus.

Este sensibil în două direcții de forfecare și direcția normală. La forța zero, toate cele patru capacități C1- C4 sunt egale. O forță pur normală va crește în mod egal fiecare capacitate și o forță pură de forfecare va avea ca rezultat o diferență crescută între capacități adiacente (metoda diferențială), în funcție de direcția forței de forfecare aplicate. Interfața ar trebui să poată face distincția între aceste componente de forță.

5.4.2 Aplicații de detectare utilizând capacități interne

În această secțiune sunt discutate exemple de măsurări capacitive pentru o varietate de aplicații, ilustrând versatilitatea metodei de detectare capacitivă. Măsuranzii selectați sunt distanța, deplasarea, grosimea, rotația, deformația, forța, nivelul și debitul. Unele aplicații speciale se referă la detectarea persoanelor și a ploii pe parbrizul unui autovehicul.

Senzorii capacitivi oferă posibilitatea unor măsurări de distanțe sau deplasări foarte precise, ca în mesele controlate x-y. Un senzor capacitiv conceput pentru inspecția produsului este dat în Ref. [31]. Scopul este de a măsura diametrul interior al cilindrilor utilizând o mașină de măsurare a coordonatelor cu senzor tactil. În această lucrare, îndoirea senzorului tactil (un stilou subțire) este determinată prin mijloace capacitive. Metoda permite măsurarea diametrelor interne mai mici de 0,3 mm, cu o acuratețe de 1 μm.

Grosimea stratului de acoperire poate fi măsurată în mai multe moduri. Pentru o acoperire neconductivă pe o placă conductivă, metoda capacitivă este adecvată pentru a măsura grosimea unui astfel de strat. Un exemplu de această metodă este dat în Ref. [32], propunând o probă capacitivă și oferind o analiză a diferitelor surse de erori.

În Secțiunea 5.2.2 au fost discutate senzori capacitivi cu plăci multiple, pentru a mări gama unui senzor de deplasare (liniar). O soluție alternativă este dată în Ref. [33], unde o configurație este prezentată similar cu inductosinul dat în capitolul 6 la senzori inductivi. Senzorul este format din două plăci cu circuite imprimate (PCB), fiecare prevăzut cu o serie de electrozi (emițător și receptor), capabili să alunece liniar unul peste celălalt ca într-un encoder optic. Transferul semnalului de la emițător la receptor este determinat de configurația electrozilor și prezintă un curs triunghiular cu deplasare. Deși realizat cu o tehnologie simplă (de ex., PCB-uri, electrozi de cupru și acoperire), rezoluția senzorului pare să fie de aproximativ 126 nm, într-un interval de 20 mm.

Nu numai deplasarea liniară, dar și rotirea poate fi măsurată cu exactitate prin mijloace capacitive. Exemplul clasic este condensatorul "trimmer" sau rotativ, care utilizează o serie de plăci paralele cu o regiune suprapusă. Rotirea unui set de plăci va schimba aria suprafeței totale activă a condensatorului, prezentată în figura 5.20. Un exemplu cu electrozi segmentați a fost dat în Fig. 5.10. O versiune modificată este prezentată în Ref. [34], având un rotor complet izolat. Principalul avantaj al acestui model este că nu sunt necesare conexiuni electrice la piesa rotativă.

Figura 5.20 Condensator rotativ.

O aplicație complet diferită a unui senzor capacitiv se găsește în Ref. [35]: măsurarea solicitării anvelopei. Anvelopele auto sunt de obicei armate cu straturi de fire de oțel. Când anvelopa este încărcată, deformarea rezultată determină creșterea distanței dintre aceste fire. Prin urmare, capacitatea dintre fire se schimbă în consecință. Lucrarea descrie modul de măsurare a acestei modificări a capacității. Interfața se bazează pe un oscilator (ca în figura 5.13D), dar în loc de un oscilator-LC, este ales un oscillator-RC. Detectarea fără fir permite măsurarea deformației în timpul rotirii roții cu anvelopă. O altă abordare pentru măsurarea solicitării anvelopei utilizând o metodă capacitivă este descrisă în Ref. [36]. Autorii au fabricat o marcă tensometrică specială, constând dintr-o pereche de electrozi plați interpătrunși pe un suport flexibil de poliamidă. Marca, lipită pe interiorul anvelopei, răspunde la solicitare prin modificarea capacității [37].

Așa cum am menționat anterior, senzorii capacitivi pot fi de asemenea aplicați pentru măsurători de forță și presiune. O aplicație specială este cântărirea on-line a mașinilor (de exemplu) [38]. Senzorul este alcătuit din două straturi de cauciuc întinse între trei plăci conductoare. Când este presat, distanța dintre foile conducătoare devine mai mică, producând o creștere a capacității. Senzorul este flexibil, ușor și ușor de transportat. Poate fi pur și simplu poziționat pe drum și este capabil să măsoare dinamic greutatea unei mașini care trece încet.

Până acum am folosit factorul geometric G în Ec. (5.5) ca bază pentru o măsurare capacitivă. Constanta dielectrică ε_r este un alt parametru care determină valoarea capacității unei structuri capacitive și, prin urmare, o metodă funcțională de detectare. Măsurarea nivelului de lichid într-un rezervor este un exemplu evident. O pereche de electrozi plani plați atârnând vertical într-un rezervor reprezintă o capacitate care depinde de constanta dielectrică a fluidului dintre aceste plăci (figura 5.21A).

Figura 5.21 Măsurarea capacitivă a nivelului.

Într-un rezervor gol este aer (sau alt gaz cu ε_r ≈ 1), într-un rezervor plin lichid (de ex. apă cu ε_r≈ 80). Un condensator parțial umplut poate fi conceput ca două condensatoare în paralel: unul umplut cu lichid până la nivelul superior (CL) și unul cu aer de la nivel până la partea superioară a plăcilor (CA). Capacitatea totală este suma acestor două capacități și, prin urmare, o măsură pentru nivel. Evident, această metodă este valabilă numai pentru lichide neconductoare. Deoarece apa este atât dielectrică, cât și conductivă, cel puțin unul dintre electrozi trebuie izolat de lichid și trebuie luate măsuri speciale atunci când recipientul este împământat, ceea ce este explicat în Ref.[39]. Prin introducerea a doi condensatori de referință, unul la vârf (în aer) și altul la partea inferioară (în lichid), așa cum se arată în figura 5.21B, influența mai multor variații ale parametrilor poate fi eliminată [40]. În loc de un condensator continuu, o serie de condensatori mai mici Ci poate fi concepută, rezultând o ieșire discretă (Fig 5.21C). În Ref. [41] este prezentată o astfel de soluție, cu o rezoluție de 0,1 mm în nivel. Mai mult, Ref. [42] arată cum poate fi utilizată o structură de senzor capacitiv pentru a detecta încărcarea neechilibrată într-o mașină de spălat.

Metoda capacitivă face posibilă detectarea picăturilor de apă pe parbriz: senzor de ploaie. Se compune, în principiu, dintr-o pereche de electrozi plați coplanari; dielectricul este alcătuit din trei părți: la partea din spate a geamului, la aerul din față și/sau apă. Pentru a fi mai puțin sensibil la variațiile de temperatură și alte posibile interferențe de mod comun, se preferă o structură diferențială: un condensator este expus la apă, celălalt nu este și servește drept condensator de referință [43].

Constanta dielectrică a unei ființe umane diferă substanțial de cea a aerului, ceea ce face posibilă detectarea capacitivă a prezenței sau trecerii persoanelor.

Pavlov și colab. [44] descriu o configurație cu electrozi mici situați într-o ușă, dând o schimbare de capacitate de câteva zecimi de pF atunci când o persoană trece. Interfața se bazează pe metoda oscilației și cu procesare specială a semnalelor este de asemenea posibilă extragerea particularităților persoanei care trece, de exemplu viteza mare sau mică și direcția.

George și colab. [45] descriu o metodă capacitivă pentru a detecta prezența unei persoane pe un scaun de mașină. Scaunul este prevăzut cu un set de electrozi în scaun, precum și cu spătarul. Configurația senzorului permite o discriminare între un adult și un copil și între persoane și obiecte (de exemplu, sticle cu apă). O altă tehnică capacitivă pentru detectarea ocupării este prezentată în Ref. [46]. Metoda se bazează pe un model de impedanță a țesutului biologic, fiind parte a dielectricului dintre doi electrozi din scaun. Parametrii impedanței măsurate sunt comparați cu parametrii modelului, de la care derivă informații despre ocupare. O extindere la poziția umană este prezentată în Ref. [47]; electrozii mari plani sunt integrați în podeaua și pereții unei încăperi de 2×2m. O analiză detaliată a modificărilor în diferitele condensatoare care construiesc această configurație arată că este posibilă localizarea persoanelor cu rezoluție rezonabilă. Această abordare a detectării prezenței umane diferă de abordarea care va fi descrisă în secțiunea 5.4.3 unde variația externă a capacității este măsurată, cauzată de prezența umană. În această situație, omul formează în mod activ o parte a condensatorului - sau o capacitate paralelă cu cea existentă.

Una dintre numeroasele metode de măsurare a vitezei de curgere a unei substanțe care se deplasează printr-o conductă este corelația: doi senzori, plasați la o distanță d unul față de celălalt, măsoară o anumită proprietate a substanței care curge, de exemplu reflecție (scattering), zgomot acustic sau variații de temperatură indusă termic. Corelația încrucișată a semnalelor (zgomotoase) este maximă pentru un timp de întârziere egal cu τ = d/v din care se determină viteza. O implementare folosind un principiu capacitiv se găsește în Ref. [48], aplicat pentru un flux de solid granular. Doi electrozi în formă de inel sunt montați la exteriorul țevii, la o distanță d și un al treilea electrod la jumătatea distanței dintre ei. Datorită neomogenității materialului care curge, capacitățile acestor două condensatoare prezintă fluctuații aleatorii. Viteza fluxului se găsește din corelația încrucișată a celor două semnale de capacitate.

Un flux magnetic poate fi de asemenea măsurat utilizând un principiu capacitiv [49]. Un flux magnetic variabil într-un material (feromagnetic) produce curenți turbionari (vezi capitolul 6), care la rândul lor creează o diferență de tensiune pe material. Această tensiune poate fi măsurată utilizând, de exemplu, metoda acului: două sonde asemănătoare acului sunt apăsate pe suprafața materialului supus încercării, iar diferența de potențial este o măsură pentru curenții turbionari și, prin urmare, fluxul magnetic. Pentru a putea măsura în acest fel, acele trebuie să facă contact electric, astfel încât orice eventual strat de izolare să fie îndepărtat la locurile de contact. În Ref. [49] acele sunt înlocuite cu plăcuțe conductoare care acționează ca electrozi de preluare: tensiunea este cuplată capacitiv la instrumentul de măsurare. Calculele arată că tensiunile sunt mici (domeniul mV), dar măsurabile, dacă se iau măsuri de precauție, așa cum se arată în secțiunile anterioare: configurația diferențială, protecția și filtrarea adecvată.

O aplicație comună a unui senzor capacitiv în produsele de consum este microfonul condensator sau electret. Acest microfon funcționează ca un dispozitiv încărcat electrostatic, utilizând un material încărcat permanent. Microfoanele electret disponibile în comerț au nevoie de un circuit simplu constând dintr-un rezistor pentru a furniza o tensiune de polarizare, împreună cu un condensator pentru decuplarea oricărui offset DC (vezi figura 5.22 ). Prin schimbarea distanței dintre două plăci încărcate, una fiind staționară, una fiind diafragma care este deplasată prin presiunea aerului, capacitatea senzorului variază. Această variație poate fi măsurată și amplificată. Deși mărimea și caracteristicile pot varia, aplicația principală pentru aceste microfoane este în domeniul audio, adică 50-20.000 Hz.

Figura 5.22 Schema unui microfon condensator și o componentă fizică.

Această secțiune arată în mod clar că principiul de detectare capacitivă poate fi aplicat în numeroase situații. Configurația este simplă, este preferat un mod echilibrat și o interfață adecvată poate reduce influența capacităților stray și a cablurilor asupra sensibilității și stabilității transferului.

5.4.3 Aplicații de detectare cu ajutorul capacităților externe

Prin schimbarea parametrilor interni, cum ar fi dimensiunea plăcii (aria suprapusă a suprafeței), distanța între plăci și proprietățile dielectrice, valoarea capacității condensatorului se schimbă, transformând condensatorul într-un senzor. În afară de această sensibilitate "internă", așa cum s-a discutat în secțiunea 5.4.2, un condensator poate fi de asemenea folosit ca un senzor pentru variații externe ale capacității, cauzate de prezența altor obiecte. În loc de prezența obiectelor externe, poate fi măsurată și prezența umană, adică poziția mâinilor sau vârfurilor degetelor. Această secțiune prezintă câteva exemple de detectare externă.

Exemplul clasic al unui dispozitiv care percepe variații externe în capacitate este orga Theremin. Inventat și patentat în 1928 de către inventatorul rus Léon Theremin [50], acest dispozitiv este, de asemenea, printre primele instrumente electronice proiectate vreodată. Prin schimbarea poziției mâinilor actorului în raport cu două antene, se modifică volumul și intensitatea tonului generat. Antenele fac parte din condensatoare în circuitele oscilatorului-LC. Prin schimbarea capacității C, frecvența oscilatorului se schimbă, conform Fig. 5.13D . Figura 5.23 prezintă un model modern al instrumentului clasic.

Figura 5.23 O reîncarnare a orgii clasice de Theremin.

Faptul că, prin utilizarea senzorilor capacitivi, proximitatea degetelor sau a unei mâini poate fi detectată fără a face contact electric, o face o tehnologie ideală pentru măsurarea intrărilor umane. De exemplu, în situațiile în care intrarea (adică apăsarea unui buton) este necesară într-un mediu umed sau trebuie să fie steril, senzorii capacitivi de atingere pot oferi o soluție.

Antena prezentată în figura 5.23 poate detecta apropierea unei mâini umane - instrumentul, totuși, necesită o calibrare frecventă. Cantitatea de sarcină, contactul la masă și capacitatea playerului se pot schimba în timp, chiar și în timpul jocului.

Prin proiectarea modelelor a căror capacitate se schimbă prin impunerea prezenței umane, acest efect secundar negativ poate fi omis. Un exemplu frumos este "roata de clic" capacitivă care a fost utilizată ca dispozitiv de intrare rotativ pe audio-playere, prezentată în figura 5.24. Această roată constă dintr-un număr de segmente folie, capacitatea fiecăruia fiind sesizată în raport cu celelalte.

Figura 5.24 Player audio cu dispozitiv de intrare capacitiv.

Principiul unui glisor liniar simplu este prezentat în figura 5.25. Luând diferența între două segmente și comparând numărul cu capacitatea totală măsurată, se poate da o indicație fiabilă a poziției degetului. Poziția este relativă la această modificare, adică (A - B)/(A + B).

Figura 5.25 Măsurarea poziției degetului cu o diferență de capacitate; zona umbroasă formează două condensatoare A și B.

Un senzor tactil capacitiv poate fi fabricat folosind o rețea de benzi conductoare, fabricate transparent în sticlă. Acest senzor poate fi plasat pe un ecran LCD, formând astfel un ecran touchscreen care este utilizat pe scară largă pentru intrare umană în dispozitive precum smartphone-urile. O prezentare schematică a unui astfel de ecran tactil este dată în figura 5.26. Această gamă de condensatoare mici este influențată de prezența degetelor umane și, spre deosebire de ecranul tactil rezistiv descris în capitolul precedent, poate detecta simultan prezența degetelor multiple. Procesarea semnalului care este necesară pentru a determina poziția vârfurilor degetelor are asemănări cu procesarea imaginilor. Aceasta necesită tehnici cum ar fi pragul, dilatarea și urmărirea petei pentru a măsura și urmări cu exactitate mișcarea vârfurilor de degete (multiple). O discuție despre aceste tehnici este dincolo de sfera acestei lucrări.

Figura 5.26 Prezentare generală schematică a construcției unui touchscreen capacitiv.

Referințe

1. Hasted JB. Aqueous dielectrics (Series: Studies in Chemical Physics). vol. VII London: Chapman and Hall; 1973.

2. Eisenberg D, Kauzmann W. The Structure and Properties of Water London: Oxford University Press; 1969.

3. Chr W. Heerens: application of capacitance techniques in sensor design. J Phys E Sci Instrum. 1986;19:897–906.

4. de Jong GW. Smart Capacitive Sensors (Ph.D thesis) Delft: Delft University Press; 1994.

5. Bonse MHW. Capacitive Position Transducers; Theoretical Aspects and Practical Applications (Ph.D thesis) Delft: Delft University of Technology; 1995; ISBN 90.370.0135.1.

6. Bertone GA, Meiksin ZH, Carroll NL. Elimination of the anomalous humidity effect in precision capacitance based transducers. IEEE Trans Instrum Meas. 1991;40(6):897–901.

7. Toth FN, Meijer GCM. A low-cost, smart capacitive position sensor. IEEE Trans Instrum Meas. 1992;41(6):1041–1044.

8. Klaassen KB, van Peppen JCL, Sandbergen RE. Thin-film microdisplacement transducer. In: Kaiser WA, Proebster WE, eds. From Electronics to Microelectronics. Amsterdam: North-Holland Publishing Company; 1980;648–650.

9. Li XJ, Meijer GCM, de Jong GW. An accurate low cost capacitive absolute angular-position sensor with full-circle range. IEEE Trans Instrum Meas. IM-45 1996;516–520.

10. Kaienburg JR, Schellin R. A novel silicon surface micromachining angle sensor. Sens Actuators A. 1999;73:68–73.

11. Sander CS, Knutti JW, Meindl JD. A monolithic capacitive pressure sensor with pulse-period output. IEEE Trans Electron Devices. 1980;ED-27(5):927–930.

12. Lee YS, Wise KD. A batch-fabricated silicon capacitive pressure transducer with low temperature sensitivity. IEEE Trans Electron Devices. 1982;ED-29(1):42–56.

13. Hanneborg A, Hansen T-E, Ohlckers PA, Carlson E, Dahl B, Holwech O. An integrated capacitive pressure sensor with frequency-modulated output. Sens Actuators A. 1986;9:345–351.

14. Moe ST, Schjølberg-Henriksen K, Wang DT, et al. Capacitive differential pressure sensor for harsh environments. Sens Actuators A. 2000;83:30–33.

15. C.H. Mastrangelo, X. Zhang, W.C. Tang: Surface micromachined capacitive differential pressure sensor with lithographically-defined silicon diaphragm, in: Proceedings of the Eurosensors IX, 25–29 June 1995, Stockholm, Sweden, vol. 1, pp. 612–615.

16. Pedersen T, Fragiacomo G, Hansen O, Thomsen EV. Highly sensitive micromachined capacitive pressure sensor with reduced hysteresis and low parasitic capacitance. Sens Actuators A. 2009;154:35–41

17. Wilner LB. A high performance, variable capacitance accelerometer. IEEE Trans Instrum Meas. 1988;IM-37(4):569–571.

18. Rödjegård H, Johansson C, Enoksson P, Andersson G. A monolithic three-axis SOI-accelerometer with uniform sensitivity. Sens Actuators A. 2005;123–124:50–53.

19. H. Rödjegård, C. Rusu, K. Malmström, G.I. Andersson, Frequency and temperature characterization of a three axis accelerometer, in: Proceedings Eurosensors XIX, 11–14 September 2005, Barcelona, Spain, MP27.

20. Wolffenbuttel RF, Regtien PPL. Capacitance-to-phase angle conversion for the detection of extremely small capacities. IEEE Trans Instrum Meas. 1987;IM-36(2):868–872.

21. Ghidini C, Marioli D, Sardini E, Taroni A. A 15 ppm resolution measurement system for capacitance transducers. Meas Sci Technol. 1996;7:1787–1792.

22. Fabian T, Brasseur G. A robust capacitive angular speed sensor. IEEE Trans Instrum Meas. 1998;IM-47(1):280–285.

23. Brasseur G. A capacitive 4-turn angular-position sensor. IEEE Trans Instrum Meas. 1998;IM-47(1):275–279.

24. Fulmek PL, Wandling F, Zdiarsky W, Brasseur G. Capacitive sensor for relative angle measurement. IEEE Trans Instrum Meas. 2002;51(6):1145–1149.

25. S.E. Alper, T. Akin, A planar gyroscope using a standard surface micromachining process, in: Proceedings Eurosensors XIV, 27–30 August, Copenhagen, Denmark, pp. 387–390.

26. Turner JD. The development of a thick-film non-contact shaft torque sensor for automotive applications. J Phys E Sci Instrum. 1989;22:82–88.

27. Falkner A. A capacitor-based device for the measurement of shaft torque. IEEE Trans Instrum Meas. 1996;IM-45(4):835–838.

28. Wolffenbuttel RF, Foerster JA. Noncontact capacitive torque sensor for use on a rotating axle. IEEE Trans Instrum Meas. 1990;IM-39(6):1008–1013.

29. Al Aish AA, Rehman M. Development of a capacitive mass measuring system. Sens Actuators A. 2009;151:113S–117S.

30. Vieira da Rocha JG, Antunes da Rocha PF, Lanceros-Mendez S. Capacitive sensor for three-axis force measurements and its readout electronics. IEEE Trans Instrum Meas. 2009;58(8):2830–2836.

31. Yang S, Li S, Kaiser MJ, Eric FHK. A probe for the measurement of diameters and form errors of small holes. Meas Sci Technol. 1998;9:1365–1368.

32. Zhang RJ, Dai SG, Mu PA. A spherical capacitive probe for measuring the thickness of coatings on metals. Meas Sci Technol. 1997;9:1028–1033.

33. Kim M, Moon W. A new linear encoder-like capacitive displacement sensor. Measurement. 2006;39:481–489.

34. Ferrari V, Ghisla A, Marioli D, Taroni A. Capacitive angular-position sensor with electrically floating conductive rotor and measurement redundancy. IEEE Trans Instrum Meas. 2006;55(2):514–520.

35. Matsuzakia R, Todorokib A. Wireless strain monitoring of tires using electrical capacitance changes with an oscillating circuit. Sens Actuators A. 2005;119:323–331.

36. Matsuzaki R, Todoroki A. Wireless flexible capacitive sensor based on ultra-flexible epoxy resin for strain measurement of automobile tires. Sens Actuators A. 2007;140:32L–42L.

37. Matsuzakia R, Keating T, Todoroki A, Hiraoka N. Rubber-based strain sensor fabricated using photolithography for intelligent tires. Sens Actuators A. 2008;148:1–9.

38. Cheng L, Zhang H, Li Q. Design of a capacitive flexible weighing sensor for vehicle WIM system. Sensors. 2007;7:1530–1544.

39. Reverter F, Li XJ, Meijer GCM. Liquid-level measurement system based on a remote grounded capacitive sensor. Sens Actuators A. 2008;138:1F–8F.

40. Canbolat H. A novel level measurement technique using three capacitive sensors for liquids. IEEE Trans Instrum Meas. 2009;58(10):3762–3768.

41. Toth FN, Meijer GCM, van der Lee M. A planar capacitive precision gauge for liquid-level and leakage detection. IEEE Trans Instrum Meas. 1997;46(2):644–646.

42. Ramasubramanian MK, Tiruthani K. A capacitive displacement sensing technique for early detection of unbalanced loads in a washing machine. Sensors. 2009;9:9559–9571.

43. Bord P, Tardy P, Ménil F. Temperature influence on a differential capacitive rain sensor performances. Sens Actuators B. 2007;125:262–267.

44. V. Pavlov, H. Ruser, H.-R. Tränkler, J. Böttcher, Multi-electrode capacitive person detector using wavelet denoising, in: IEEE Conference on Multisensor Fusion and Integration (MFI’06), 3–6 September 2006, Heidelberg, Germany.

45. George B, Zangl H, Bretterklieber T, Brasseur G. Seat occupancy detection based on capacitive sensing. IEEE Trans Instrum Meas. 2009;58(5):1487A–1494A.

46. Satz A, Hammerschmidt D, Tumpold D. Capacitive passenger detection utilizing dielectric dispersion in human tissues. Sens Actuators A. 2009;152:1–4.

47. Aguilar Cardenas RN, Kerkvliet HMM, Meijer GCM. Design and empirical investigation of capacitive human detectors with opened electrodes. Meas Sci Technol. 2010;21:1–8.

48. Fuchs H, Zangl G, Brasseur EM. Petriu: flow-velocity measurement for bulk granular solids in pneumatic conveyor pipes using random-data correlator architecture. IEEE Trans Instrum Meas. 2006;55(4):1228–1234.

49. Zurek S, Meydan T. A novel capacitive flux density sensor. Sens Actuators A. 2006;129:121–125.

50. L.S. Theremin, Method of and apparatus for the generation of sound, U.S. Patent Office 1,661,058. Patented Feb. 28, 1928.