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COMPONENTS SENSING CAPACITIVO
64 - ELETTRONICA OGGI 452 - MARZO 2016
Sensori capacitivi:
le sfide di progetto
Il rilevamento capacitivo è una tecnologia interessante:
un sensore capacitivo presenta una struttura semplice
da capire e può essere prodotto in modo relativamente
facile ed economico rispetto ad altre tecnologie. Per produr-
re un segnale misurabile un progettista è tenuto a configu-
rare solo due parametri fisici: la geometria delle piastre e le
caratteristiche del dielettrico.
I parametri misurati dalle tecnologie di rilevamento capa-
citivo attualmente disponibili includono pressione, umidi-
tà, prossimità e accelerazione. Nel mercato automotive i
sensori di livello carburante, pioggia e presenza dei pas-
seggeri a bordo dei veicoli si basa-
no spesso su principi capacitivi.
Nel mercato consumer oggi è prati-
camente impossibile immaginare un
sofisticato dispositivo elettronico, per
esempio uno smartphone o un tablet,
senza un display touchscreen capa-
citivo.
Tuttavia, per quanto questi sensori
siano diffusi, il loro impiego costringe
il progettista ad affrontare numerosi
problemi:
• i sensori capacitivi sono influenzati da variazioni di tempe-
ratura e interferenze elettromagnetiche
• il loro corretto funzionamento può essere compromesso
o falsato da artefatti ambientali (ad esempio, l’umidità) o da
contaminanti quali polvere e sporcizia
• quando è necessaria una misurazione relativamente preci-
sa delle variazioni della capacità elettrica, la loro implemen-
tazione non è facile.
Il presente articolo esamina i metodi tradizionali per imple-
mentare il rilevamento capacitivo, mettendone in evidenza
vantaggi e svantaggi. Verranno infine presentate due nuove
architetture ideate da ams, mettendone a confronto il funzio-
namento con quello dei metodi tradizionali.
Metodi tradizionali per la misurazione della
capacità elettrica
Principi basati sul tempo
Il metodo più utilizzato oggi per misurare la capacità elettrica
è la misurazione del rapporto tempo / frequenza. In genere
una capacità elettrica sconosciuta è
utilizzata per modificare un oscillato-
re: la variazione della frequenza può
essere convertita in una misura di ca-
pacità elettrica. In alternativa, può es-
sere misurato l’effetto di un’impeden-
za nota sulla curva di carica e scarica
di una capacità elettrica sconosciuta.
Il modo più semplice per misurare la
capacità elettrica nell’intervallo pF è
misurare la costante di tempo a parti-
re da un’impedenza nota. Le costanti
di tempo avranno una grandezza di
pochi µs, fermo restando che l’utente
eviti di utilizzare un resistore ad alta impedenza e non sog-
getto a eccessivo rumore. Misurare queste piccole costanti
di tempo richiede una velocità di clock nell’ordine dei GHz.
Se invece si utilizza un circuito PLL, questo dovrà presentare
un jitter estremamente basso, comportando costi più elevati.
L’alternativa al metodo basato sull’impedenza è utilizzare un
oscillatore (Fig. 1): è una soluzione facile da progettare con
componenti a basso costo, ma è soggetta a diverse fonti di
Martin Jaiser
Fae - Field application engineer
ams
L’impiego dei sensori di tipo capacitivo,
sempre più diffusi, costringe il progettista
ad affrontare e risolvere numerose
problematiche: nell’articolo vengono
discusse due nuove architetture sviluppate
da ams illustrandonone i vantaggi rispetto
a quelle tradizionali
Fig. 1 - Il principio basato sul tempo per la misurazione
della capacità elettrica