Condensador sensible a la fuerza

Un condensador sensible a la fuerza es un material cuya capacitancia cambia cuando se le aplica una fuerza , presión o tensión mecánica . También se les conoce como "condensadores sensibles a la fuerza". Pueden proporcionar una mayor sensibilidad y repetibilidad en comparación con las resistencias sensibles a la fuerza ^{[ 1 ]} , pero tradicionalmente requerían una electrónica más compleja ^{[ 2 ] .}

Los capacitores sensibles a la fuerza típicos son ejemplos de capacitores de placas paralelas . Para pequeñas deflexiones, existe una relación lineal entre la fuerza aplicada y el cambio en la capacitancia, que se puede mostrar de la siguiente manera:

La capacitancia,${\displaystyle C}$, igual a${\displaystyle \varepsilon A/d}$, dónde${\displaystyle \varepsilon }$es permeabilidad ,${\displaystyle A}$es el área del sensor y${\displaystyle d}$es la distancia entre placas paralelas. Si el material es elástico lineal (es decir, sigue la Ley de Hooke ), entonces el desplazamiento, debido a una fuerza aplicada${\displaystyle F}$, es${\displaystyle x=F/k}$, dónde${\displaystyle k}$es la constante elástica . Combinando estas ecuaciones se obtiene la capacitancia después de aplicar una fuerza como:

${\displaystyle C=\varepsilon A/(d_{nominal}-F/k)}$, dónde${\displaystyle d_{nominal}}$es la separación entre placas paralelas cuando no se aplica ninguna fuerza.

Esto se puede reorganizar de la siguiente manera:

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

Suponiendo que${\displaystyle d_{nominal}^{2}>>F^{2}/k^{2}}$, lo cual es cierto para pequeñas deformaciones donde${\displaystyle d_{nominal}>>x}$Podemos simplificarlo a:

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

Resulta que:

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

do${\displaystyle \simeq C_{nominal}+BF}$dónde${\displaystyle B=\epsilon A/kd^{2}}$, que es constante para un sensor dado.

Podemos expresar el cambio en la capacitancia${\displaystyle \Delta C}$como:

${\displaystyle \Delta C=BF}$

SingleTact fabrica condensadores sensibles a la fuerza utilizando silicio moldeado entre dos capas de poliimida para construir un  sensor de 0,35 mm de espesor, con rangos de fuerza de 1  N a 450  N. ^{[ 3 ]} El SingleTact de 8 mm tiene una capacitancia nominal de 75  pF, que aumenta en 2,2  pF cuando se aplica la fuerza nominal. ^{[ 3 ]} Se puede montar en muchas superficies para la medición directa de la fuerza.

Los condensadores sensibles a la fuerza pueden utilizarse para crear botones sensibles a la fuerza de perfil bajo. Se han utilizado en imágenes médicas para mapear las presiones en el esófago ^{[ 4 ] [ 5 ]} y para obtener imágenes de cáncer de mama ^{[ 6 ] [ 7 ]} y de próstata. ^{[ 8 ]}