سنسور نیروی خازنی (Capacitive Force Sensor)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
سنسور نیروی خازنی (Capacitive Force Sensor) :
سنسور نیروی خازنی از تغییر ظرفیت خازن تحت تأثیر نیرو برای اندازه گیری نیرو استفاده می کند. ساختار اصلی شامل دو صفحه (الکترود) است که توسط یک ماده دی الکتریک (یا یک لایه قابل تغییر شکل، مانند سیلیکون یا پلیمر) از هم جدا شده اند. با اعمال نیرو به سنسور، فاصله بین صفحات (
\[ d \]) کاهش یافته یا سطح مشترک (
\[ A \]) افزایش می یابد. ظرفیت خازن از رابطه
\[ C = \epsilon_0 \epsilon_r \frac{A}{d} \]محاسبه می شود. بنابراین، تغییر در
\[ d \]یا
\[ A \]منجر به تغییر در
\[ C \]می شود. این تغییر ظرفیت توسط مدارهای الکترونیکی (مانند مبدل خازن به ولتاژ) اندازه گیری شده و به نیرو مرتبط می شود.
مزایای سنسورهای نیروی خازنی:
حساسیت بالا: قابلیت تشخیص نیروهای بسیار کوچک (میکرونیوتن).
پایداری دمایی خوب: (در مقایسه با پیزومقاومتی).
توان مصرفی بسیار پایین: (ایده آل برای کاربردهای با باتری).
محدوده دینامیکی وسیع: امکان اندازه گیری نیروهای کوچک تا بزرگ.
ساختار ساده و قابلیت ساخت با MEMS.
معایب: غیرخطی بودن ذاتی (
\[ C \propto 1/d \])، نیاز به مدارهای پیچیده برای خطی سازی و اندازه گیری تغییرات کوچک ظرفیت (معمولا با روش های سوئیچ خازنی یا مدولاسیون فرکانس)، و حساسیت به میدان های الکتریکی مزاحم (که با محافظ و طراحی دیفرانسیل کاهش می یابد).
انواع طراحی:
نوع تغییر فاصله : رایج ترین. یک صفحه ثابت و یک صفحه متحرک که روی یک غشای انعطاف پذیر قرار دارد. با اعمال نیرو، فاصله کاهش یافته و ظرفیت افزایش می یابد. رابطه
\[ C \]با نیرو غیرخطی است اما برای جابجایی های کوچک می تواند خطی سازی شود.
نوع تغییر سطح : با حرکت افقی صفحات نسبت به هم، سطح مشترک تغییر می کند. این طراحی می تواند خطی تر باشد.
نوع دیفرانسیل: با دو خازن که با حرکت صفحه میانی، یکی افزایش و دیگری کاهش ظرفیت می یابد. این طراحی خطی گی را بهبود داده و اثرات محیطی را کاهش می دهد.
\[ C_0 = \frac{\epsilon A}{d_0} \quad , \quad \Delta C \approx C_0 \frac{\Delta d}{d_0} \quad \text{(برای تغییرات کوچک)} \]کاربردها:
سنسورهای فشار MEMS.
شتاب سنج های MEMS خازنی.
سنسورهای نیرو در رباتیک (گیره ها).
ترازوهای دقیق آزمایشگاهی.
صفحه های لمسی (touchpads) که نیروی فشار را نیز تشخیص می دهند (Force Touch).
حسگرهای لمسی با وضوح بالا.
