Конденсатор чувствительный к силе - Force-sensing capacitor

А сило-чувствительный конденсатор это материал, чей емкость меняется, когда сила, давление или механический стресс применяется. Они также известны как «силочувствительные конденсаторы». Они могут обеспечить улучшенную чувствительность и повторяемость по сравнению с силочувствительные резисторы^[1] но традиционно требовалась более сложная электроника.^[2]

Принцип работы

Типичные силочувствительные конденсаторы являются примерами параллельных пластин. конденсаторы. Для небольших прогибов существует линейная зависимость между приложенной силой и изменением емкости, которую можно показать следующим образом:

Емкость, ${\displaystyle C}$, равно ${\displaystyle \varepsilon A/d}$, куда ${\displaystyle \varepsilon }$ является проницаемость, ${\displaystyle A}$ площадь датчика и ${\displaystyle d}$ расстояние между параллельными пластинами. Если материал линейно эластичный (так следует Закон крючков ), то смещение из-за приложенной силы ${\displaystyle F}$, является ${\displaystyle x=F/k}$, куда ${\displaystyle k}$ это жесткость пружины. Объединение этих уравнений дает емкость после приложенной силы как:

${\displaystyle C=\varepsilon A/(d_{nominal}-F/k)}$, куда ${\displaystyle d_{nominal}}$ это расстояние между параллельными пластинами без приложения силы.

Это можно изменить на:

${\displaystyle C=(\varepsilon Ad_{nominal}+\varepsilon AF/k)/(d_{nominal}^{2}-F^{2}/k^{2})}$

При условии, что ${\displaystyle d_{nominal}^{2}>>F^{2}/k^{2}}$, что справедливо для малых деформаций, когда ${\displaystyle d_{nominal}>>x}$, мы можем упростить это до:

C ${\displaystyle \simeq (\varepsilon Ad_{nominal}+\varepsilon AF/k)/(d_{nominal}^{2})}$

Следует, что:

C ${\displaystyle \simeq C_{nominal}+\varepsilon AF/kd_{nominal}^{2}}$

C ${\displaystyle \simeq C_{nominal}+BF}$ куда ${\displaystyle B=\epsilon A/kd^{2}}$, которая постоянна для данного датчика.

Мы можем выразить изменение емкости ${\displaystyle \Delta C}$ в качестве:

${\displaystyle \Delta C=BF}$

Производство

SingleTact производит силочувствительные конденсаторы из формованных кремний между двумя слоями полимид построить 0,35 датчик толщиной мм, с диапазоном усилия от 1 N до 450 Н.^[3] 8-миллиметровый SingleTact имеет номинальную емкость 75 pF, который увеличивается на 2,2 пФ при приложении номинальной силы.^[3]

Использует

Сенсорные конденсаторы можно использовать для создания низкопрофильных кнопок, чувствительных к усилию. Они использовались в медицинской визуализации для отображения давления в пищеводе.^[4][5]и изображать грудь^[6][7] и рак простаты.^[8]

Рекомендации

1. Мартинелли, L; Hurschler, C; Розенбаум, Д. (01.06.2006). «Сравнение емкостных и резистивных совместных контактных датчиков напряжения». Клиническая ортопедия и смежные исследования. 447: 214–220. Дои:10.1097 / 01.blo.0000218730.59838.6a. ISSN  0009-921X. PMID  16672899.
2. 1943-, Бентли, Джон П. (1995). Принципы измерительных систем (3-е изд.). Харлоу [Англия]: Longman Scientific & Technical. ISBN  0470234458. OCLC  30781109.
3. "Техническое описание SingleTact" (PDF). SingleTact.
4. Грант США US10961981, Пакрс, Томас, «Твердотельный датчик давления высокого разрешения», опубликовано 14 июля 2015 г., передано Sierra Scientific Instruments Inc. 
5. «Использование емкостных датчиков силы в медицинских изделиях нового поколения». Технологии медицинского дизайна. 2016-03-01. Получено 2018-06-21.
6. Егоров, В .; Сарвазян, А.П. (01.09.2008). «Механическая визуализация груди». IEEE Transactions по медицинской визуализации. 27 (9): 1275–1287. Дои:10.1109 / tmi.2008.922192. ISSN  0278-0062. ЧВК  2581459. PMID  18753043.
7. "SureTouch". SureTouch. Получено 2018-06-21.
8. "Artann Labs". www.artannlabs.com. Получено 2018-06-21.