سنسور فشار خازنی (طراحی، عملکرد و کاربرد)

سنسور فشار خازنی چیست؟

سنسور فشار خازنی ، تجهیزی است که فشار را با تشخیص تغییر در ظرفیت الکتریکی ناشی از حرکت دیافراگم اندازه گیری می کند.

اصول کار سنسور فشار خازنی

یک خازن از دو صفحه رسانای موازی تشکیل شده است که با یک فاصله کوچک از هم جدا می شوند. ظرفیت
خازن از طریق معادله زیر بدست می آید:

تغییر هر یک از متغیرها باعث تغییر متناظر در ظرفیت خازن می شود. ساده ترین راه برای تغییر ظرفیت خازن، تغییر فاصله بین صفحات است. این کار را می توان با ساختن یک یا هر دو صفحه به صورت دیافراگمی انجام داد. در اثر تغییر فشار، دیافراگم تغییر شکل می دهد (منحرف می شود) و در نتیجه ظرفیت خازن تغییر می کند.
معمولا، یکی از الکترودها (صفحات)، دیافراگم حساس به فشار و دیگری ثابت است. شکل زیر نمونه ای از یک سنسور فشار خازنی است.

یک روش آسان برای اندازه گیری تغییر در ظرفیت خازن، تبدیل آن به بخشی از یک مدار تنظیم شده است که به طور معمول متشکل از یک سنسور خازنی به همراه یک سلف است. این کار می تواند فرکانس یک نوسان ساز یا اتصال AC یک مدار رزونانس را تغییر دهد.

ساختار سنسور فشار خازنی

1. دیافراگم ها را می توان از مواد مختلفی از قبیل پلاستیک، شیشه، سیلیکون یا سرامیک ساخت تا مناسب برای کاربردهای مختلف باشند.
2.  ظرفیت خازنی سنسور به طور معمول در حدود 50 تا 100 پیکوفاراد (pF) است و تغییراتی در حد چند پیکوفاراد دارد.
3.  استحکام و مقاومت مواد را می توان به گونه ای انتخاب کرد تا طیف وسیعی از حساسیت ها و فشارهای عملیاتی را فراهم کند. برای دریافت یک سیگنال بزرگ، سنسور باید نسبتاً بزرگ باشد، که می تواند بازه فرکانس عملکرد را محدودتر نماید. با این حال، دیافراگم های کوچکتر حساس تر هستند و زمان پاسخ دهی (Response time) سریع تری دارند.
4.  دیافراگم های بزرگ و نازک معمولا نسبت به نویز ناشی از لرزش، به خصوص در فشار های پایین حساس هستند (همان اصولی که برای ساخت میکروفون های کندانسور استفاده می شود).
5.  از دیافراگم های ضخیم تر در سنسورهای فشار بالا و برای اطمینان از استحکام مکانیکی استفاده می شود. با کنترل ضخامت دیافراگم، امکان ساخت سنسورهایی با رنج فشار تا psi5000 فراهم می شود.
6.  با انتخاب موادی با ضریب انبساط حرارتی پایین برای صفحات خازن، می توان سنسورهایی با حساسیت بسیار کم در برابر تغییرات دما تولید کرد. همچنین به منظور اطمینان از میزان درستی (Accuracy) و تکرارپذیری (Repeatability) اندازه گیری ها، لازم است که مواد به کار رفته در ساختار آن ها دارای هیسترزیس (Hysteresis) پایین باشد.
7.  از آنجایی که دیافراگم، خود عنصر حسگر است، مشکلی وجود ندارد که قطعات اضافی به دیافراگم متصل شوند، بنابراین سنسورهای خازنی نسبت به برخی دیگر از سنسورها قادر به عملکرد در دماهای بالاتر هستند.
8. سنسورهای فشار خازنی همچنین می توانند به طور مستقیم بر روی تراشه سیلیکونی با همان تکنیک های طراحی ساخته شوند که در ساخت وسایل الکترونیکی نیمه هادی از آن ها استفاده می شوند (شکل زیر). این امر اجازه می دهد تا عناصر حسگر بسیار کوچکی ساخته شده و با قطعات الکترونیکی به منظور بهینه سازی سیگنال (Signal conditioning) و گزارش گیری ترکیب شوند. در این صفحه به معرفی کامل سنسورهای فشاری که از سیستمهای مکانیکی میکروالکترونیک (microelectronic mechanical systems (MEMS)) در ساختار آن ها استفاده شده خواهیم پرداخت.

نحوه عملکرد سنسور فشار خازنی

1.  با وصل کردن سنسور به یک مدار وابسته به فرکانس مانند یک اسیلاتور یا مدار LC(شامل سلف و خازن)، می توان تغییر در ظرفیت خازن را اندازه گیری کرد. در هر دو حالت ، فرکانس رزونانسی مدار در اثر تغییر خازن توسط فشار تغییر می کند.
2.  یک اسیلاتور به برخی از قطعات الکترونیکی اضافی و منبع تغذیه نیاز دارد. یک مدار LC رزونانسی می تواند بدون منبع تغذیه، خود به عنوان یک سنسور پسیو استفاده شود.
3. ثابت دی الکتریک مواد بین صفحات ممکن است تحت تاثیر فشار یا دما تغییر کند که موضوع همچنین می تواند یک منبعی از خطا باشد. نفوذپذیری هوا و بیشتر گازهای دیگر با وجود فشار افزایش می یابد بنابراین این کار تغییرات در ظرفیت خازن را به تدریج افزایش می دهد. سنسورهای فشار مطلق (Absolute)، که بین صفحات آن ها وکیوم می باشد، از این نظر ایده آل رفتار می کنند.
4.  می توان یک سنسور خطی تر با استفاده از “حالت لمسی” ساخت که در آن دیافراگم سنسور با صفحه مخالف (با یک لایه عایق نازک در بین) در سراسر محدوده کاری عادی (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است) در تماس باشد. طراحی این ساختار منجر به سیگنال خروجی خطی تر می شود.

این نوع سنسور دارای استحکام بیشتری بوده و توانایی مقابله با فشار مازاد (Overpressure) بیش از حد را دارد. این موضوع باعث می شود برای محیط های صنعتی مناسب تر باشد. با این حال، این ساختار به دلیل اصطکاک موجود بین دو سطح، مستعد پدیده هیسترزیس است.

طراحی سنسور فشار خازنی

1.  به منظور به حداقل رساندن تأثیرات خازنی ناخواسته، قطعات الکترونیکی برای اندازه گیری و بهینه سازی سیگنال باید نزدیک به عنصر حسگر قرار گیرند.
2.  از آنجایی که سنسور های فشار خازنی می توانند به عنوان یک تجهیز در مدارهای فرکانس بالا به کار گرفته شوند، آن ها برای اندازه گیری های بی سیم مناسب هستند.
3.  در مورد سنسورهای پسیو می توان از یک آنتن خارجی برای تامین سیگنال به منظور تحریک مدار تنظیم شده استفاده کرد و بنابراین تغییر در فرکانس رزونانسی را اندازه گیری نمود (شکل زیر). این امر باعث می شود که آنها برای برخی از دستگاه های پزشکی بسیار مناسب باشند.
4.  در روش دیگر، برای یک سنسور اکتیو ، فرکانس ایجاد شده توسط نوسان ساز می تواند به وسیله یک آنتن گرفته شود.

کاربردهای سنسور فشار خازنی

1.  سنسورهای فشار خازنی اغلب برای اندازه گیری فشار گاز یا مایع در موتورهای جت، لاستیک اتومبیل، بدن انسان و بسیاری از مکان های دیگر استفاده می شوند. اما آنها همچنین می توانند به عنوان سنسورهای لمسی در وسایل قابل پوشیدن یا اندازه گیری فشار وارد شده به سوئیچ یا صفحه کلید استفاده شوند.
2.  آنها با توجه به سادگی مکانیکی بسیار متنوع هستند، بنابراین می توانند در انواع محیط های سخت مورد استفاده قرار گیرند.
3.  از سنسورهای خازنی می توان برای اندازه گیری فشار مطلق (Absolute)، گیج یا نسبی (Gauge or Relative) و تفاضلی (Differential) استفاده کرد.

مزایا و معایب سنسور فشار خازنی

سنسورهای فشار خازنی دارای چندین مزیت نسبت به سایر سنسورهای فشار هستند.

1.  آنها می توانند توان مصرفی بسیار کمی داشته باشند زیرا هیچ جریان DC از عنصر حسگر عبور نمی کند. جریان فقط هنگامی عبور می کند که سیگنالی مدار را تحریک کرده تا ظرفیت خازن را اندازه گیری کند. سنسورهای پسیو به منبع تغذیه احتیاجی ندارد، این ویژگی ها آنها را برای کاربردهای با توان مصرفی پایین مانند سنسورهای از راه دور یا IoT ایده آل می سازد.
2.  این سنسورها از نظر مکانیکی ساده هستند، بنابراین می توانند با خروجی پایدار و قوی ساخته شوند، و این باعث می شود آنها برای استفاده در محیط های سخت مناسب باشند. سنسورهای خازنی معمولاً مقاومت بسیار خوبی در برابر فشار های مازد (Over-pressure) موقت دارند.
3.  آنها هیسترزیس کم و تکرارپذیری خوبی دارند و نسبت به تغییرات دما بیش از حد حساس نیستند.
4.  از طرف دیگر، سنسورهای خازنی دارای خروجی غیر خطی هستند، گرچه این امر در تجهیزات لمسی قابل کاهش است اما با این حال ممکن است باعث افزایش هیسترزیس شود.
5.  به علت امپیدانس خروجی بالای سنسور و به منظور به حداقل رساندن اثرات پارازیت ظرفیت خازن، طراحی بسیار دقیق مدار برای وسایل الکترونیکی رابط مورد نیاز است.