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