Los sensores de desplazamiento capacitivos son "dispositivos sin contacto capaces de medir en alta resolución la posición y/o el cambio de posición de cualquier objetivo conductor". [1] También son capaces de medir el espesor o la densidad de materiales no conductores . [2] Los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluido el procesamiento de semiconductores , el ensamblaje de equipos de precisión como unidades de disco , mediciones de espesor de precisión, metrología de máquinas herramienta y pruebas de líneas de ensamblaje . Estos tipos de sensores se pueden encontrar en instalaciones de mecanizado y fabricación de todo el mundo.
La capacitancia es una propiedad eléctrica que se crea aplicando una carga eléctrica a dos objetos conductores con un espacio entre ellos. Una demostración sencilla son dos placas conductoras paralelas del mismo perfil con un espacio entre ellas y una carga aplicada a ellas. En esta situación, la capacitancia se puede expresar mediante la ecuación :
Donde C es la capacitancia, ε 0 es la permitividad de la constante del espacio libre , K es la constante dieléctrica del material en el espacio, A es el área de las placas y d es la distancia entre las placas.
Hay dos tipos generales de sistemas de detección de desplazamiento capacitivo. Un tipo se utiliza para medir espesores de materiales conductores. El otro tipo mide espesores de materiales no conductores o el nivel de un fluido.
Un sistema de detección capacitivo para materiales conductores utiliza un modelo similar al descrito anteriormente, pero en lugar de una de las placas conductoras, está el sensor , y en lugar de la otra, está el objetivo conductor a medir. Dado que el área de la sonda y el objetivo permanecen constantes, y el dieléctrico del material en el espacio (generalmente aire) también permanece constante, "cualquier cambio en la capacitancia es el resultado de un cambio en la distancia entre la sonda y el objetivo". [4] Por lo tanto, la ecuación anterior se puede simplificar a:
Donde α indica una relación proporcional. Debido a esta relación proporcional, un sistema de detección capacitivo puede medir cambios en la capacitancia y traducir estos cambios en mediciones de distancia.
El funcionamiento del sensor para medir el espesor de materiales no conductores se puede considerar como dos condensadores en serie, cada uno de los cuales tiene un dieléctrico (y una constante dieléctrica) diferente. La suma de los espesores de los dos materiales dieléctricos permanece constante pero el espesor de cada uno puede variar. El espesor del material a medir desplaza al otro dieléctrico. El espacio es a menudo un espacio de aire (constante dieléctrica = 1) y el material tiene un dieléctrico más alto. A medida que el material se vuelve más grueso, la capacitancia aumenta y el sistema la detecta.
Un sensor para medir el nivel de líquido funciona como dos condensadores en paralelo con un área total constante. De nuevo, la diferencia en la constante dieléctrica del fluido y la constante dieléctrica del aire da como resultado cambios detectables en la capacitancia entre las sondas o placas conductoras.
Una de las aplicaciones más comunes de los sensores capacitivos es el posicionamiento de precisión. Los sensores de desplazamiento capacitivos se pueden utilizar para medir la posición de objetos hasta el nivel nanométrico . Este tipo de posicionamiento preciso se utiliza en la industria de los semiconductores, donde es necesario colocar obleas de silicio para su exposición. Los sensores capacitivos también se utilizan para preenfocar los microscopios electrónicos utilizados para probar y examinar las obleas.
En la industria de las unidades de disco, los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan para medir el descentramiento (una medida de cuánto se desvía el eje de rotación de una línea fija ideal) de los husillos de las unidades de disco . Al conocer el recorrido exacto de estos ejes, los fabricantes de unidades de disco pueden determinar la cantidad máxima de datos que se pueden colocar en las unidades. Los sensores capacitivos también se utilizan para garantizar que los platos de la unidad de disco sean ortogonales al eje antes de que se escriban datos en ellos.
Los sensores de desplazamiento capacitivos se pueden utilizar para realizar mediciones de espesor muy precisas. Los sensores de desplazamiento capacitivos funcionan midiendo cambios de posición. Si se mide la posición de una parte de referencia de espesor conocido, posteriormente se pueden medir otras partes y se pueden utilizar las diferencias de posición para determinar el espesor de estas partes. [5] Para que esto sea efectivo usando una sola sonda, las piezas deben estar completamente planas y medirse sobre una superficie perfectamente plana. Si la pieza a medir tiene alguna curvatura o deformidad , o simplemente no descansa firmemente contra la superficie plana, la distancia entre la pieza a medir y la superficie sobre la que está colocada se incluirá erróneamente en la medición del espesor. Este error se puede eliminar utilizando dos sensores capacitivos para medir una sola pieza. Los sensores capacitivos se colocan a ambos lados de la pieza a medir. Al medir las piezas desde ambos lados, la curvatura y las deformidades se tienen en cuenta en la medición y sus efectos no se incluyen en las lecturas de espesor.
El espesor de los materiales plásticos se puede medir colocando el material entre dos electrodos a una distancia determinada. Estos forman un tipo de condensador. El plástico cuando se coloca entre los electrodos actúa como dieléctrico y desplaza el aire (que tiene una constante dieléctrica de 1, a diferencia del plástico). En consecuencia, la capacitancia entre los electrodos cambia. Luego, los cambios de capacitancia se pueden medir y correlacionar con el espesor del material. [6]
Se pueden construir circuitos de sensores capacitivos que sean capaces de detectar cambios en la capacitancia del orden de 10 −5 picofaradios (10 attofaradios).
Si bien los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan con mayor frecuencia para detectar cambios en la posición de objetivos conductores, también se pueden utilizar para detectar el grosor y/o la densidad de objetivos no conductores. [4] Un objeto no conductor colocado entre la sonda y el objetivo conductor tendrá una constante dieléctrica diferente a la del aire en el espacio y, por lo tanto, cambiará la capacitancia entre la sonda y el objetivo. (Consulte la primera ecuación anterior) Al analizar este cambio en la capacitancia, se puede determinar el espesor y la densidad del no conductor.
Los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan a menudo en aplicaciones de metrología. En muchos casos, los sensores se utilizan “para medir errores de forma en la pieza que se produce. Pero también pueden medir los errores que surgen en los equipos utilizados para fabricar la pieza, una práctica conocida como metrología de máquina herramienta”. [7] En muchos casos, los sensores se utilizan para analizar y optimizar la rotación de husillos en diversas máquinas herramienta; los ejemplos incluyen amoladoras planas , tornos , fresadoras y husillos con cojinetes de aire . [8] Al medir los errores en las propias máquinas, en lugar de simplemente medir los errores en los productos finales, los problemas pueden abordarse y solucionarse en una fase más temprana del proceso de fabricación.
Los sensores de desplazamiento capacitivos se utilizan a menudo en pruebas de líneas de montaje. A veces se utilizan para probar piezas ensambladas en cuanto a uniformidad, espesor u otras características de diseño. En otras ocasiones, se utilizan para simplemente buscar la presencia o ausencia de un determinado componente, como por ejemplo pegamento . [9] El uso de sensores capacitivos para probar piezas de la línea de ensamblaje puede ayudar a prevenir problemas de calidad en etapas posteriores del proceso de producción.
Los sensores de desplazamiento capacitivos comparten muchas similitudes con los sensores de desplazamiento de corrientes parásitas (o inductivos); sin embargo, los sensores capacitivos utilizan un campo eléctrico a diferencia del campo magnético utilizado por los sensores de corrientes parásitas [10] [11] Esto conduce a una variedad de diferencias entre las dos tecnologías de detección, siendo las diferencias más notables que los sensores capacitivos generalmente son capaces de Las mediciones de mayor resolución y los sensores de corrientes parásitas funcionan en entornos sucios, mientras que los sensores capacitivos no. [10]
