Aplicaciones
Deteccin de materiales en grano o en polvo
(en la figura deteccin del nivel de bolas de
plstico para mquinas de inyeccin de moldes)
Deteccin de pequeos elementos
en una lnea de montajeDeteccin de la rotura
de hilos
w
ww
.tu
rck
.co
m
Electrnica de Potencia y Medida 11 Leccin 6. Sensores capacitivos
Los detectores de proximidad capacitivos se encuentran presentes en una gran
variedad de aplicaciones industriales: control de nivel de lquidos, inspeccin de
paquetes, deteccin de rotura de cables, deteccin de nivel en productos de alimentacin,
deteccin de pequeos elementos metlicos, etc.
6.4 Sensores capacitivos en silicio
Mayor sensibilidad
Reduccin de peso
Ahorro en los coste de fabricacin
Menos problemas con temperatura, humedad, capacidades parsitas, etc.
Sensor de humedad
El cambio en H esproporcional a la
humedad relativa
del entorno que le
rodea.
Electrnica de Potencia y Medida 12 Leccin 6. Sensores capacitivos
Sustrato de silicio
Platino
Platino
Polmero
Polmero
Polvo, suciedad y aceites
no afectan al sensor
La tecnologa de fabricacin de circuitos integrados en silicio est siendo empleada de
forma masiva en el desarrollo de sensores (microsensores de silicio). La integracin en
silicio permite sustanciales ventajas: mayor sensibilidad, reduccin de peso, ahorro en los
costes de fabricacin, mayor nmero de aplicaciones, etc. Otras ventajas adicionales son:
reduccin de los problemas derivados de la temperatura, humedad, capacidades parsitas
y de los terminales, adems de proporcionar alta impedancia de entrada. El papel que
juega el silicio no siempre es el mismo: en unos casos se aprovecharn sus excelentes
propiedades elsticas y de estabilidad para detectar una determinada magnitud fsica,
mientras que, en otros casos, el silicio nicamente servir cmo un sustrato, siendo
necesario aadir finas capas de otros materiales para producir el efecto deseado.
Los sensores capacitivos de humedad relativa se usan en numerosas aplicaciones
industriales. Es necesario controlar la humedad en la industria textil, maderera,
alimentacin, fabricacin de papel, almacenaje, etc. Existen muchos tipos y variantes de
sensores de humedad, segn sea la composicin de las placas del condensador, el
material del dielctrico y el sustrato. El dielctrico puede ser un xido de aluminio,
silicio poroso o un material polmero. El sustrato es normalmente de cristal, cermico o
silicio. La figura muestra la estructura de un sensor de humedad en el que el dielctrico
es un material polmero y el sustrato es de silicio. El material polmero tiene la habilidad
de absorber molculas de agua lo cual se traduce en un cambio en la permitividad
dielctrica del condensador. El cambio incremental en la permitividad dielctrica de un
sensor de humedad capacitivo es proporcional a la humedad relativa del entorno que le
rodea. La variacin de la capacidad se encuentra entre 0,2 y 0,5pFpor 1% RH.
Sensor de presin capacitivo
( ) ( )2 2 23
3 1- a -ry = P
16Et
E = mdulo de Young
Q = relacin de Poisson
Texas Instruments
y
P
a
t
d r
Sustrato de silicio
Diafragma
Placas delcondensador
PRESIN
Electrnica de Potencia y Medida 13 Leccin 6. Sensores capacitivos
Un sensor de presin capacitivo responde, en general, a una estructura cmo la
mostrada en la figura, en la que se tiene una placa metlica fija y un diafragma flexible.
La deformacin del diafragma da lugar a que la separacin media de las placas se
reduzca, lo que se traduce en un incremento relativo de la capacidad dado por la
expresin:
siendo d la separacin de las placas y C0 = H0Sa2/d la capacidad a presin cero.La estructura anterior puede integrarse en silicio, cmo se muestra en la figura. El
elemento sensor capacitivo est compuesto por un diafragma cermico, de forma que
cuando la presin aumenta, el diafragma se flexiona, variando la distancia entre las
placas del condensador. Cambiando el espesor del diafragma en el proceso de
fabricacin, se pueden llegar a medir presiones entre 7,5 y 10000 psi. El circuito
integrado incorpora la circuitera de acondicionamiento necesario para convertir la
variacin de capacidad en una tensin linealmente proporcional a la presin
2 43
0
1- aCP
C 16Edt
Q'
Acelermetros capacitivos
La medida de aceleracin es equivalente a una medida de desplazamiento:
Otras medidas:
kF kx ma a x
m
Electrnica de Potencia y Medida 14 Leccin 6. Sensores capacitivos
(Unidad: g)
La medida de aceleracin con sensores capacitivos est basada en la ley de Hook: F =
kx y en la segunda ley de Newton: F = ma. Igualando ambas expresiones, tenemos que la
aceleracin est dada por la expresin:
con lo que la medida de la aceleracin se convierte en la medida de un desplazamiento.
Adems de la medida de aceleracin es posible realizar otros tipos de medidas
relacionadas como inclinacin, fuerzas inerciales, choques y vibraciones en aplicaciones
de automocin (airbag), medicina, control industrial, etc. Las ltimas tcnicas de micro-
mecanizado superficial junto con tecnologas CMOS de fabricacin de circuitos
integrados permiten integrar en el mismo chip toda la circuitera de procesamiento de la
seal, resultando un dispositivo de altas prestaciones y a un coste razonable.
xm
ka =
Acelermetro capacitivo ADXL150
S S
0
V Vv Sensibilidad a
2 5V
aceleracin
Celdaunitaria
C1 C2CapacidadesC1 y C2
Electrnica de Potencia y Medida 15 Leccin 6. Sensores capacitivos
Analog Devices
1 2 2
2 AC C x
d
H
SENSORDEMODULADOR
Reloj
Amplificador5 k
25 k
VS/2
879
145
10
N.C.
TEST COM OFFSETNULL
+VS
0,1 PF
Vo
(VS = 5V; sensibilidad: 33mV/g)
Un ejemplo de microacelermetro capacitivo es el ADXL150 de Analog Devices. La figura muestra su diagrama de bloques as como una vista simplificada del elemento sensor. Se trata de una masa inercial en forma de H sensible a la aceleracin. Consta de 42 celdas unitarias, cmo la mostrada en la figura, en la que cada celda est compuesta por dos placas fijas y una placa mvil que se deforma en respuesta a una aceleracin. Se tiene un condensador diferencial, cuya variacin de capacidad se mide en el propio chip. La separacin de las placas es de 2 Pm, as cmo el espesor de las mismas, resultando un elemento sensor de 1 mm2. La capcidad diferencial entre C1 y C2 est dada por:
La diferencia en capacidad es proporcional a x, pero slo para pequeos valores de desplazamiento en comparacin con la distancia entre placas. Toda la circuitera necesaria para el control del sensor y para convertir el cambio de capacidad a tensin est incorporada en el chip, no necesitando componentes externos. La tensin de salida es funcin de la aceleracin a, y de la tensin de alimentacin V
S:
Las caractersticas ms importantes son: margen de medida: r5yr50g, error de linealidad: 0,2% del fondo de escala, sensibilidad: 33 mV/g para una VS = 5 V.
2
2 AC x
d
H'
S So
V VV = -(Sensibilidad - a)
2 5V
Medida de inclinacin
Suelo
Acelermetro
de dos ejes
x, y: ejes de medida
x
y
g arctg
g
y
x
g
gx
D
gy
y
x
g
gx
D
gy
Electrnica de Potencia y Medida 16 Leccin 6. Sensores capacitivos
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