Cảm biến điện dung là gì?

Trong kỹ thuật điện, cảm biến điện dung là một công nghệ dựa trên ghép nối điện dung, có thể phát hiện và đo lường bất kỳ vật dẫn điện hoặc có hằng số điện môi khác với không khí.

Nhiều loại cảm biến sử dụng cảm biến điện dung, bao gồm cảm biến để phát hiện và đo khoảng cách, áp suất, vị trí và độ dịch chuyển, lực, độ ẩm, mức chất lỏng và gia tốc.

Các thiết bị giao diện người dùng dựa trên cảm biến điện dung, chẳng hạn như bàn di chuột, có thể được sử dụng thay cho chuột máy tính. Máy nghe nhạc kỹ thuật số, điện thoại di động và máy tính bảng đôi khi sẽ sử dụng màn hình cảm biến điện dung làm thiết bị đầu vào. Cảm biến điện dung cũng có thể thay thế các nút bấm cơ học.

Thiết kế của cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung được chế tạo từ nhiều vật liệu khác nhau, chẳng hạn như đồng, oxit thiếc indi (ITO) và mực in. Cảm biến điện dung đồng có thể được lắp đặt trên PCB FR4 tiêu chuẩn cũng như trên vật liệu dẻo. ITO cho phép cảm biến điện dung trong suốt tới 90% (đối với các giải pháp một lớp, chẳng hạn như màn hình điện thoại cảm ứng).

Kích thước và khoảng cách của cảm biến điện dung đều rất quan trọng đối với hiệu suất của cảm biến. Bên cạnh kích thước của cảm biến và khoảng cách của nó so với mặt đất, loại mặt đất được sử dụng cũng rất quan trọng. Vì điện dung ký sinh của cảm biến liên quan đến đường dẫn của điện trường (trường E) xuống đất, điều quan trọng là phải chọn mặt đất hạn chế mật độ các đường sức từ trường E khi không có vật dẫn điện.

Có hai loại hệ thống cảm biến điện dung:

• Điện dung tương hỗ, trong đó vật thể (ngón tay, bút cảm biến điện dung) làm thay đổi sự ghép nối tương hỗ giữa các điện cực hàng và cột, được quét tuần tự.
• Điện dung tự thân, trong đó vật thể (chẳng hạn như ngón tay) tải cảm biến hoặc tăng điện dung ký sinh xuống đất.

Điện dung bề mặt

Trong công nghệ cơ bản này, chỉ một mặt của lớp cách điện được phủ vật liệu dẫn điện. Một điện áp nhỏ được đặt vào lớp này, tạo ra một trường tĩnh điện đồng nhất. Khi một vật dẫn điện, chẳng hạn như ngón tay người, chạm vào bề mặt không được phủ, một tụ điện sẽ được hình thành theo động lực học.

Do điện trở bề mặt, mỗi góc được đo để có một điện dung hiệu dụng khác nhau. Bộ điều khiển của cảm biến có thể xác định vị trí tiếp xúc gián tiếp từ sự thay đổi điện dung được đo từ bốn góc của tấm cách điện: sự thay đổi điện dung càng lớn, điểm tiếp xúc càng gần góc đó.

Điện dung chiếu

Công nghệ cảm biến điện dung chiếu (PCT) là công nghệ điện dung cho phép hoạt động chính xác và linh hoạt hơn bằng cách khắc lớp dẫn điện. Lưới X-Y được hình thành bằng cách khắc một lớp để tạo thành một lưới điện cực, hoặc bằng cách khắc hai lớp vật liệu dẫn điện song song riêng biệt với các đường thẳng hoặc rãnh vuông góc để tạo thành lưới; tương tự như lưới điểm ảnh được tìm thấy trong nhiều màn hình tinh thể lỏng (LCD).

Thiết kế mạch

Điện dung thường được đo gián tiếp, bằng cách sử dụng nó để điều khiển tần số của bộ dao động, hoặc để thay đổi mức độ ghép nối (hoặc suy giảm) của tín hiệu AC. Về cơ bản, kỹ thuật này hoạt động bằng cách nạp điện dung chưa biết bằng một dòng điện đã biết, bằng cách sắp xếp lại mối quan hệ dòng điện-điện áp của tụ điện.

Các loại

Bộ dao động thư giãn

Thiết kế của một đồng hồ đo điện dung đơn giản thường dựa trên bộ dao động thư giãn. Điện dung cần cảm biến tạo thành một phần của mạch RC hoặc mạch LC của bộ dao động. Điện dung có thể được tính bằng cách đo thời gian sạc cần thiết để đạt đến điện áp ngưỡng (của bộ dao động thư giãn), hoặc tương đương, bằng cách đo tần số của bộ dao động. Cả hai đều tỷ lệ thuận với hằng số thời gian RC (hoặc LC) của mạch dao động.

Bộ chia điện áp

Một kỹ thuật đo lường khác là áp dụng tín hiệu điện áp AC tần số cố định qua bộ chia điện dung (bộ chia điện áp sử dụng tụ điện thay vì điện trở). Bộ chia này bao gồm hai tụ điện mắc nối tiếp, một tụ điện có giá trị đã biết và tụ điện còn lại có giá trị chưa biết. Sau đó, tín hiệu đầu ra được lấy từ hai đầu của một trong hai tụ điện. Giá trị của tụ điện chưa biết có thể được tìm thấy từ tỷ số điện dung, bằng tỷ số biên độ tín hiệu đầu ra/đầu vào, có thể đo được bằng vôn kế AC.

Cấu hình cầu

Các thiết bị đo chính xác hơn có thể sử dụng cấu hình cầu điện dung, tương tự như cầu Wheatstone. Cầu điện dung giúp bù cho bất kỳ biến thiên nào có thể tồn tại trong tín hiệu được áp dụng.

Truyền điện tích

Mặc dù không dành riêng cho cảm biến điện dung, truyền điện tích sử dụng mạng tụ điện chuyển mạch để tích lũy điện tích lên tụ điện tích hợp qua một loạt các bước rời rạc, nhằm tạo ra tổng chính xác của tất cả các thành phần điện tích riêng lẻ.

Điều chế Delta-sigma

Điều chế Delta-sigma cũng có thể đo điện dung thay vì điện áp.

Sai số

Nguồn sai số chính trong các phép đo điện dung là điện dung lạc, nếu không được kiểm soát, có thể dao động trong khoảng từ 10 pF đến 10 nF. Điện dung đi lạc có thể được giữ tương đối ổn định bằng cách che chắn tín hiệu điện dung (trở kháng cao) rồi kết nối tấm chắn với điểm tham chiếu mặt đất (trở kháng thấp).

So sánh với các công nghệ màn hình cảm ứng khác

Màn hình cảm biến điện dung nhạy hơn so với màn hình cảm ứng điện trở (loại phản ứng với bất kỳ vật thể nào vì không cần điện dung), nhưng độ chính xác thấp hơn. Tuy nhiên, điện dung chiếu cải thiện độ chính xác của màn hình cảm ứng nhờ tạo ra một lưới tam giác bao quanh điểm chạm.

Bút cảm ứng thông thường không thể dùng được với màn hình điện dung, nhưng các loại bút cảm biến điện dung đặc biệt (có tính dẫn điện) được sản xuất cho mục đích này. Người ta thậm chí có thể tự chế một bút cảm biến điện dung bằng cách quấn vật liệu dẫn điện, như màng chống tĩnh điện dẫn điện, quanh một cây bút thông thường hoặc cuộn màng đó thành ống.

Trước đây, màn hình điện dung có chi phí sản xuất cao hơn màn hình điện trở, nhưng hiện nay thì không còn như vậy. Một số màn hình điện dung không thể sử dụng khi đeo găng tay và có thể hoạt động sai khi có một lượng nhỏ nước trên bề mặt.

Các cảm biến điện dung tương hỗ (mutual capacitive sensors) có thể tạo ra hình ảnh hai chiều về sự thay đổi trong điện trường. Dựa trên hình ảnh này, nhiều ứng dụng đã được phát triển — như xác thực người dùng, ước lượng hướng ngón tay chạm màn hình, hoặc phân biệt giữa ngón tay và lòng bàn tay.

Mặc dù cảm biến điện dung được sử dụng phổ biến trong màn hình cảm ứng của điện thoại thông minh, hình ảnh điện dung này thường không được hiển thị ở tầng ứng dụng.

Các nguồn điện có nhiễu điện tử cao có thể làm giảm độ chính xác của màn hình cảm ứng.