سنسور فشار خازنی (Capacitive Pressure Sensor)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
سنسور فشار خازنی (Capacitive Pressure Sensor) :
سنسور فشار خازنی بر اساس تغییر ظرفیت خازن در اثر اعمال فشار کار می کند. ساختار معمول شامل یک دیافراگم رسانا و انعطاف پذیر (معمولا سیلیکون یا فلز) است که در فاصله کمی از یک صفحه ثابت (الکترود) قرار گرفته است. با اعمال فشار، دیافراگم خم شده و فاصله بین دو صفحه (یا سطح روبرو) تغییر می کند که منجر به تغییر ظرفیت خازنی می شود. ظرفیت خازن تخت از رابطه
\[ C = \epsilon \frac{A}{d} \]به دست می آید که
\[ \epsilon \]گذردهی الکتریکی محیط،
\[ A \]سطح مشترک صفحات، و
\[ d \]فاصله بین آنهاست.
در اثر فشار، فاصله d کاهش می یابد (یا در برخی طراحی ها سطح مشترک تغییر می کند). تغییر ظرفیت معمولا غیرخطی است زیرا
\[ C \propto 1/d \]. برای بهبود خطی گی، از ساختارهای دیفرانسیلی یا طراحی با دیافراگم شیاردار استفاده می شود. سنسورهای خازنی معمولا در یک مدار پل یا مدار RC (نوسان ساز) برای تبدیل تغییر ظرفیت به ولتاژ یا فرکانس به کار می روند.
\[ C_0 = \frac{\epsilon A}{d_0} \quad , \quad \Delta C \approx C_0 \frac{\Delta d}{d_0} \quad (\text{برای تغییرات کوچک}) \]مزایای اصلی سنسورهای فشار خازنی: توان مصرفی بسیار پایین (ایده آل برای کاربردهای با باتری)، حساسیت بالا، پایداری دمایی خوب (در مقایسه با پیزومقاومتی)، امکان ساخت با ابعاد بسیار کوچک (MEMS)، و پاسخ فرکانسی خوب. همچنین می توانند فشارهای بسیار کم (در محدوده پاسکال) را اندازه گیری کنند.
معایب: خروجی غیرخطی (نیاز به خطی سازی)، اثر خازن های انگلی (parasitic) در سیم ها و مدار، و پیچیدگی نسبی مدارهای واسط (interface circuits). همچنین دیافراگم باید به اندازه کافی انعطاف پذیر باشد تا تغییر ظرفیت قابل اندازه گیری باشد.
کاربردها: فشارسنج های ارتفاع سنج در تلفن های هوشمند (برای تشخیص طبقه)، میکروفون های MEMS (که در اصل نوعی سنسور فشار خازنی صوتی هستند)، سنسورهای فشار خون، سنسورهای فشار تفاضلی در صنعت، و تجهیزات پزشکی. سنسورهای خازنی به دلیل مصرف پایین در دستگاه های پوشیدنی و اینترنت اشیاء (IoT) محبوب هستند.
مدل مکانیکی دیافراگم مشابه حالت پیزومقاومتی است، اما کمیت اندازه گیری شده خمش (جابجایی) است تا تنش. برای کاهش اثرات غیرخطی، گاهی از دیافراگم های موج دار (corrugated) یا ساختارهای با توقف (touch mode) استفاده می شود. در حالت touch mode، دیافراگم در فشارهای بالا به زیرلایه تماس پیدا می کند که محدوده اندازه گیری را افزایش می دهد.
پیشرفت در فناوری CMOS-MEMS امکان مجتمع سازی سنسور خازنی و مدارهای الکترونیکی روی یک تراشه را فراهم کرده است. این سنسورها آینده روشنی در کاربردهای کم مصرف و دقیق دارند.
