شتاب سنج خازنی (Capacitive Accelerometer)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
شتاب سنج خازنی (Capacitive Accelerometer) :
شتاب سنج خازنی نوعی شتاب سنج است که جابجایی جرم اثبات را با اندازه گیری تغییر ظرفیت خازن تشخیص می دهد. همان طور که در مورد شتاب سنج MEMS توضیح داده شد، این رایج ترین نوع در کاربردهای کم هزینه و کم مصرف است، اما شتاب سنج های خازنی در ابعاد بزرگ تر (غیر MEMS) نیز برای کاربردهای با دقت بسیار بالا (مانند گرانی سنجی) ساخته می شوند. در اینجا تمرکز بر روی انواع رایج خازنی است.
در یک شتاب سنج خازنی، جرم اثبات معمولا به عنوان صفحه میانی یک خازن دیفرانسیل عمل می کند. دو صفحه خازن ثابت در بالا و پایین جرم قرار دارند. در حالت بدون شتاب، جرم دقیقا در وسط قرار دارد و ظرفیت بین جرم و صفحه بالا (
\[ C_1 \]) با ظرفیت بین جرم و صفحه پایین (
\[ C_2 \]) برابر است. با اعمال شتاب، جرم جابجا شده و
\[ C_1 \]و
\[ C_2 \]به صورت دیفرانسیل تغییر می کنند (یکی افزایش، دیگری کاهش). تفاوت این دو ظرفیت (
\[ \Delta C = C_1 - C_2 \]) مستقیما متناسب با جابجایی جرم و در نتیجه متناسب با شتاب است (برای جابجایی های کوچک).
اندازه گیری تغییرات بسیار کوچک ظرفیت خازنی (در حد اتوفاراد) نیازمند مدارهای خاصی است. روش های متداول شامل استفاده از مبدل های خازن به ولتاژ مبتنی on سوئیچ خازنی (switched capacitor) یا مدولاسیون با فرکانس بالا (مانند مدارهای ساخته شده با تکنیک CMOS) هستند. این مدارها معمولا روی همان تراشه با سنسور مجتمع می شوند.
مزایا (به ویژه نوع MEMS خازنی):
قابلیت اندازه گیری شتاب DC (گرانش) و AC.
توان مصرفی بسیار پایین (ایده آل برای باتری).
هزینه کم در تولید انبوه.
ابعاد بسیار کوچک و سبک.
نویز نسبتا کم برای کاربردهای عمومی.
معایب: پهنای باند محدودتر نسبت به پیزوالکتریک (معمولا تا چند کیلوهرتز)، محدوده دینامیکی کمتر، و حساسیت به تغییرات دما و رطوبت (البته با طراحی مناسب و جبران سازی کاهش می یابد).
\[ C_1 = \frac{\epsilon A}{d_0 - x} \approx \frac{\epsilon A}{d_0}(1 + \frac{x}{d_0}) \quad , \quad C_2 \approx \frac{\epsilon A}{d_0}(1 - \frac{x}{d_0}) \quad \Rightarrow \quad \Delta C = C_1 - C_2 \approx \frac{2\epsilon A}{d_0^2} x \]کاربردها: تلفن های هوشمند، تبلت ها، کنسول های بازی (تشخیص حرکت)، خودروها (کیسه هوا، سیستم کنترل پایداری)، دستگاه های پوشیدنی، رباتیک، پهپادها، و صنعت (پایش ارتعاشات ساده). شتاب سنج های خازنی MEMS همه جا حاضر هستند.
