Конденсатор с датчиком силы

Силовой конденсатор — это материал, емкость которого изменяется при приложении силы , давления или механического напряжения . Их также называют «силочувствительными конденсаторами». Они могут обеспечить улучшенную чувствительность и повторяемость по сравнению с силовыми резисторами ^[1], но традиционно требуют более сложной электроники. ^[2]

Типичные конденсаторы, чувствительные к силе, являются примерами конденсаторов с параллельными пластинами . При малых отклонениях существует линейная зависимость между приложенной силой и изменением емкости, которую можно показать следующим образом:

Емкость, , равна , где - проницаемость , - площадь датчика и - расстояние между параллельными пластинами. Если материал линейно-эластичен (так следует закону Хука ), то смещение, вызванное приложенной силой , равно , где - константа пружины . Объединение этих уравнений дает емкость после приложенной силы как:${\displaystyle С}$${\displaystyle \varepsilon A/d}$${\displaystyle \varepsilon}$${\displaystyle А}$${\displaystyle д}$${\displaystyle F}$${\displaystyle x=F/k}$${\displaystyle к}$

${\displaystyle C=\varepsilon A/(d_{номинальный}-F/k)}$, где — расстояние между параллельными пластинами при отсутствии силы.${\displaystyle d_{номинальный}}$

Это можно переформулировать так:

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

Предполагая , что , что верно для малых деформаций, когда , мы можем упростить это до:${\displaystyle d_{номинальный}^{2}>>F^{2}/k^{2}}$${\displaystyle d_{номинальный}>>x}$

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

Из этого следует, что:

С${\displaystyle \simeq C_{номинальный}+\varepsilon AF/kd_{номинальный}^{2}}$

C , где , что является константой для данного датчика.${\displaystyle \simeq C_{номинальный}+BF}$${\displaystyle B=\epsilon A/kd^{2}}$

Мы можем выразить изменение емкости как:${\displaystyle \Дельта С}$

${\displaystyle \Дельта C=BF}$

SingleTact производит конденсаторы, чувствительные к силе, используя формованный кремний между двумя слоями полиимида для создания  датчика толщиной 0,35 мм с диапазоном силы от 1  Н до 450  Н. ^[3] 8-миллиметровый SingleTact имеет номинальную емкость 75  пФ, которая увеличивается на 2,2  пФ при приложении номинальной силы. ^[3] Его можно монтировать на многих поверхностях для прямого измерения силы.

Силовые конденсаторы могут использоваться для создания низкопрофильных силовых кнопок. Они использовались в медицинской визуализации для картирования давления в пищеводе ^{[4] [5]} и для визуализации рака груди ^{[6] [7]} и простаты. ^[8]