Sentsore kapazitibo

Sentsore kapazitiboak kapazitantzia elektrikoaren aldaketak detektatuz funtzionatzen duten gailuak dira. Gaur egungo mundu teknologiko eta industrialean, etengabe gaude sentsorez inguratuta, nahiz eta gehienetan ez garen ohartzen haien presentziaz. Funtsezko osagaiak bihurtu dira gure eguneroko bizitzan, erabiltzen ditugun gailuetan, eta industria prozesu automatizatuetan. Askotan oharkabean pasatzen zaizkigu, baina gure inguruan daude etengabe: sakelako telefonoaren pantailan hatza jartzen dugunean, automobilean aparkatzen dugunean horma ez jotzeko, edo lantegietako kateetan produktuen kalitatea eta posizioa zaintzen. Sentsore horien guztien artean, sentsore kapazitiboak dira erabilienetakoak eta moldakorrenetakoak. Gailu hauek kapazitantzia elektrikoaren aldaketak detektatuz funtzionatzen dute, eta horrek abantaila ikaragarria ematen die beste sistema batzuen aldean: kontaktu fisikorik gabe objektuak, likidoak edo materialak antzemateko gaitasuna dute.

Funtzionamendu oinarrizkoa nahiko erraza da ulertzeko printzipioz, nahiz eta barneko elektronika konplexua izan daitekeen gaur egungo txipetan. Sentsore hauek, funtsean, kondentsadore ireki bat bezala jokatzen dute. Bi plaka metaliko dituzte (elektrodoak), eta horien artean eremu elektriko bat sortzen da tentsio bat aplikatzean. Objektu bat eremu horretan sartzen denean edo hurbiltzen denean, sistema honen kapazitantzia (karga metatzeko ahalmena) aldatu egiten da. Aldaketa fisiko hori neurtu, prozesatu eta seinale erabilgarri bihurtzen da, detekzioa burutzeko. Gaur egun mundu industrialean oso erabiliak dira, batez ere objektuen presentzia detektatzeko, mailak kontrolatzeko (tankeetan adibidez) edo distantziak neurtzeko, baina baita kontsumo elektronikan ere, ukipen pantailei esker, zeinak gure bizitzaren parte banaezin bihurtu diren.


 Historia laburra 

Sentsore kapazitiboen hastapenak ulertzeko, XX. mendearen erdialdera arte joan behar dugu, eta are atzerago, elektromagnetismoaren oinarrietara eta elektrizitatearen lehen ikerketetara. Pixka bat aztertu ondoren, ikusten da teknologia hau ez dela gauza berria, baizik eta printzipio fisiko zaharren aplikazio berri eta findu bat. Kondentsadore baten oinarrizko printzipioak erabiltzen ditu, hau da, karga elektrikoa metatzeko gaitasuna neurtzea bi potentzial desberdinen artean. Baina ideia teorikotik produktu komertzial fidagarri batera pasatzeko denbora asko behar izan zen eta batez ere materialen garapena beharrezkoa izan zen.

Hasieran erabiltzen ziren aplikazio industrial oso sinpleetan, adibididez garraio zinta batean produktuak kontatzeko edo depositu handi batean likidoa gainezka ez egiteko abisu emateko.RealPars (2023). "Capacitive Sensor Explained - Different Types and Applications" Hala ere, garai haietan, 50eko eta 60ko hamarkadetan, zirkuituak analogikoak ziren eta zarata elektrikoarekiko oso sentikorrak; horrek asko mugatu egiten zuen haien erabilera ingurune zailetan, adibidez motor handiak, soldadura makinak edo interferentzia elektromagnetikoak zeuden lekuetan. Sentsoreak askotan "erotu" egiten ziren eta seinale faltsuak ematen zituzten. Teknologiaren aurrerapenekin batera, batez ere erdieroaleen eta txipen garapenarekin 80ko eta 90eko hamarkadetan, aplikazio konplexuagoetara ere zabaldu ziren pixkanaka eta fidagarritasuna irabazi zuten.

Gaur egun, DSP (Digital Signal Processing) sistemak eta algoritmo digitalak erabiliz, sentsore hauek zehaztasun askoz handiagoa dute eta interferentziak hobeto filtratzen dituzte.Winsen Electronics (2025). "Capacitive Sensors: Principles, Types, and Applications" Lehen arazo handia zen tenperatura aldaketa edo hezetasuna (drifta deitzen zaiona), baina orain software bidez konpentsatu daiteke mikrokontrolagailuari esker, eta sentsorea bera gai da bere burua kalibratzeko ingurunea aldatzen denean. Duela 20 bat urte inguru, 2000. urtearen bueltan, sentsore hauek iraultza txiki bat bizi izan zuten kontsumo mailan. Multi-touch edo ukipen anitzeko pantailak agertu zirenean (iPhone eta antzekoekin), tableta eta telefono mugikorren garapenean paper garrantzitsua jokatu zuten sentsore kapazitiboek. Horrek ekarri zuen sentsore hauen erabilerak demokratizatzea eta arlo askotan estandar bihurtzea.

 Printzipio fisikoa eta funtzionamendua 
Funtzionamendu fisikoa ondo ulertzeko, kondentsadore baten oinarrizko printzipioetatik hasi behar dugu. Kondentsadore bat karga elektrikoa biltegiratzeko gai den gailu pasiboa da, bateria txiki baten antzera baina oso azkar kargatzen eta deskargatzen dena. Bi elektrodoen (plaken) artean sortzen den eremu elektrikoa da gakoa. Sentsorearen aurpegia normalean plaka bat da, eta detektatu nahi dugun objektua (gure hatza, metalezko pieza bat, ura...) beste plaka bezala jokatzen du.

Objektu bat hurbiltzen denean, dela objektu metalikoa (eroalea) edo dielektrikoa (plastikoa, beira, likidoa), sistemaren karga metatzeko ahalmena aldatu egiten da bi arrazoi nagusirengatik. Objektu eroale bat hurbiltzean, kondentsadorearen plaka birtual bat bezala jokatzen du eta lurrerako bidea errazten du, kapazitantzia handituz. Objektu ez eroale bat hurbiltzean, dielektrikoaren propietatea aldatzen du (airea kendu eta plastikoa jarriz, adibidez), eta horrek ere kapazitantzia aldatzen du, nahiz eta efektua txikiagoa izan ohi den metalekin baino. Hori dela eta, sentsore kapazitiboak gai dira metala ez diren gauzak ere ikusteko, sentsore induktiboek ez bezala.

Arkitektura elektronikoari dagokionez, sentsorea bera (plaka metalikoa) osziladore bati konektatuta egon ohi da zirkuituaren barruan.EDN Network (2012). "An Introduction to Capacitive Sensing, Part 1" Kapazitantzia aldatzean, osziladorearen maiztasuna aldatzen da (gitarra baten korda tenkatzean soinua aldatzen den bezala), eta aldaketa hori neurtzen du mikrokontrolagailuak. Maiztasuna edo frekuentzia aldatzen bada, badakigu zerbait hurbildu dela. Beste teknika bat CTMU da: korronte konstante batekin kargatzen da sentsorea denbora zehatz batez, eta lortzen den tentsioa neurtzen da. Kapazitantzia handiagoa bada, tentsioa txikiagoa izango da denbora berean, ontzi zabalago bat betetzea kostatzen den bezala.

 Ekuazio oinarrizkoak eta parametroak 
Sentsore hauen portaera fisikoki deskribatzeko, plaka paraleloen eredua erabiltzen da. Hau da oinarrizko formula matematikoa, sentsorearen kapazitantzia (C) zer faktoreren menpe dagoen azaltzen duena:

C = (ε₀ × εr × A) / d

Formula honetan letra bakoitzak esanahi garrantzitsu bat dauka diseinurako:

 C da Kapazitantzia: Neurtzen dugun balioa da, Faradotan neurtzen dena (normalean pikoFaradotan sentsore hauetan).
 ε₀ (Epsilon zero): Hutsaren permitibitatea da, konstante fisiko bat unibertsoan aldatzen ez dena.
 εr (Epsilon r): Materialaren permitibitate erlatiboa da. Hau oso garrantzitsua da. Aireak 1 balio du gutxi gorabehera. Urak, adibidez, 80 balio du. Horregatik sentsore hauek oso onak dira ura detektatzeko, urak balio hori biderkatu egiten duelako formulan. Plastikoek edo beirak balio baxuagoak dituzte, baina aireak baino handiagoak.
 A (Azalera): Plaken azalera da. Zenbat eta handiagoa izan sentsorea, orduan eta kapazitantzia handiagoa eta sentsibilitate handiagoa. Horregatik distantzia handiagoetara neurtzeko sentsore handiak behar dira.
 d (Distantzia): Plaken arteko distantzia, edo sentsorearen eta objektuaren artekoa. Ikusten denez, 'd' zatitzen dago formulan. Horrek esan nahi du distantzia txikitzen bada (objektua hurbiltzen denean), Kapazitantzia (C) handitu egiten dela, eta gainera modu oso azkarrean (hiperbolikoki).

Praktikan parametro nagusiak honako hauek dira sistema bat aukeratzerakoan. Lehenik, sentsibilitatea daukagu. Honek adierazten du aldaketa txiki batentzat zenbateko seinale irteera lortzen dugun. Aplikazioen arabera, sentsibilitate handiagoa edo txikiagoa behar da. Adibidez, ukipen pantaila batean sentsibilitate handia behar da hatza kristalaren gainean pausatzean detektatzeko, baina industrian agian ez dugu nahi euli bat pasatzean makina gelditzerik, beraz sentsibilitatea jaitsi egiten da torloju edo software bidez.

 Mota nagusiak 

Sentsore kapazitibo desberdinek aplikazio desberdinak dituzte, eta merkatuan hainbat formatutan aurki daitezke, bakoitza bere berezitasunekin eta helburuekin.

 Hurbiltasun sentsoreak 
Hurbiltasun sentsoreak (Proximity sensors) dira industriako aplikazioetan ohikoenak, zilindro formakoak normalean, plastiko edo metalezko gorputzarekin eta kolore askotakoak. Objektuen presentzia detektatzeko erabiltzen dira, kontaktu gabe. Normalean distantzia laburretara lan egiten dute (milimetro gutxi batzuk, 2mm-tik 25mm-ra gutxi gorabehera). Metalak ez ezik, plastikoa, egurra, papera edo kartoia ere detekta ditzakete. Askotan atzealdean torloju txiki bat dute sentsibilitatea doitzeko; horrela, adibidez, kaxa baten barruan zerbait dagoen ikus dezakegu kaxa bera detektatu gabe.

 Maila sentsoreak 

Maila sentsoreak (Level sensors) likidoak (ura, olioa, azidoak, esnea) edo solido granulatuak (garia, plastiko bolatxoak, pentsua) detektatzeko erabiltzen dira. Tanke industrialetan oso erabiliak dira, abantaila handi bat dutelako: edukiontziaren paretatik bertatik neur dezakete barruan sartu gabe (pareta ez bada metalikoa, noski, plastiko edo beirazkoa baizik). Honek higienea mantentzea errazten du elikagaien industrian, ez delako zulorik egin behar deposituan eta sentsoreak ez duelako likidoa ukitzen, kutsadura arriskua saihestuz.

 Ukipen sentsoreak 
Ukipen sentsoreak (Touch sensors) dira guk gehien ezagutzen ditugunak eta egunero erabiltzen ditugunak. Smartphone, tablet, trackpad eta kontsumo elektronikan erabiltzen dira. PCAP (Projected Capacitive) teknologia erabiltzen dute gehienetan. Sareta ikusezin bat osatzen dute elektrodoekin X eta Y ardatzetan, hatzaren posizio zehatza kalkulatzeko pantailaren gainean. Multi-touch funtzioak gaur egun estandarra dira, eta keinuak (zooma, desplazamendua, bi hatzekin biratzea) egiteko aukera ematen dute, interfazeak askoz intuitiboagoak bihurtuz.

 Aplikazioak 

Aplikazio sorta zabala dute sentsore kapazitiboek, sektore askotara iristen baitira gaur egun, hasierako aurreikuspenak gaindituz.

 Industrian 

Industrian, hau da eremu klasikoa, paketatze lerroetan kaxak beteta dauden egiaztatzeko (adibidez, esne kaxa baten barruan esnea dagoen ala hutsik dagoen), uhal garraiatzaileetan piezak kontatzeko, eta siloetan material maila neurtzeko erabiltzen dira. Automatizazio prozesuetan ezinbestekoak dira makinek beren ingurunea "ikusi" dezaten begirik gabe eta erabakiak hartu ditzaten (gelditu, jarraitu, pieza baztertu).

 Automozioan 

Automozioan ere auto modernoetan gero eta gehiago ikusten dira. Airbag sistemak aktibatzeko eserlekuan norbait dagoen detektatzeko erabiltzen dira (presio sentsoreen ordez edo haiekin batera, segurtasuna bermatzeko). Ateetako heldulekuetan (giltzarik gabeko sarrera edo keyless), leihoetako botoietan eta aginte paneletako ukipen kontroletan ere erabiltzen dira. Euri sentsoreak, haizetakoan doazenak, ere printzipio kapazitiboan oinarritzen dira: urak kristalaren kapazitantzia aldatzen du eta horrela garbigailuak automatikoki pizten dira.

 Elektronika kontsumoan 

Elektronika kontsumoan, telefonoak, ordenagailuak, tabletak... denok dakigu nola funtzionatzen duten hauek. Slider (bolumena igotzeko hatza irristatuz) eta botoi kapazitiboak ere oso erabiliak dira gailu modernoetan, diseinu garbiagoa eta futuristagoa ahalbidetzen dutelako botoi mekanikorik gabe, eta gainera ez dira puskatzen erabilerarekin.

 Domotikan 
Domotikan, etxe adimendunetan, ukipen panelek gero eta gehiago ordezkatzen dituzte etengailu zaharrak argiztapena, berogailua eta segurtasun sistemak kudeatzeko. Hormaren atzean, egurraren atzean edo kristalaren atzean ezkutatu daitezke, estetika zainduz eta garbitasuna erraztuz.

 Abantailak eta mugak 

Teknologia honek hainbat abantaila garbi ditu beste sentsore motekiko (induktiboak edo fotoelektrikoak), baina baita muga batzuk ere kontuan hartu beharrekoak ingeniariek diseinua egitean.

 Abantailak 

Abantailen artean, garrantzitsuena kontakturik gabeko detekzioa da. Horrek esan nahi du pieza mugikorrik ez duela, eta horregatik ez dago higadura mekanikorik botoietan edo etengailuetan bezala. Bizitza erabilgarria ia infinitua da teorian ondo tratatzen bada. Beste abantaila bat material aniztasuna da. Metalikoak eta ez metalikoak detektatzeko gai da. Sentsore induktiboek, adibidez, bakarrik metalak ikusten dituzte eta hori muga handia da. Kapazitiboek malgutasun handia ematen dute (ura plastikozko botila baten barruan detekta dezake, edo egurra, edo pertsona bat). Gainera, tamaina txikia eta energia kontsumo baxua dute, bateriaz dabiltzan gailuetarako aproposa.

 Mugak 

Mugen aldetik, ingurune zikinak aipatu behar dira. Nahiz eta asko hobetu den, hautsak, olioak edo hezetasun handiak sentsibilitatea alda dezakete faltsu positiboak emanez. Adibidez, pantaila bustia batzuetan "erotu" egiten da eta gaizki ibiltzen da, urak ere kapazitantzia aldatzen duelako gure hatzak bezala eta prozesadoreak ez dakielako bereizten. Distantzia ere muga bat da, zentimetro gutxi batzuetara bakarrik funtzionatzen baitu. Ez da egokia objektuak urrunetik detektatzeko; horretarako sentsore optikoak edo laserrak askoz hobeak dira.

 Segurtasuna eta pribatutasuna 

Azkenaldian, segurtasuna eta pribatutasuna gero eta garrantzitsuagoak dira gaur egun, batez ere gailu konektatuetan eta IoT munduan. Ukipen pantailen eta hurbiltze sentsoreetan informazio sistema batek erabil dezake datu hori portaera patroiak aztertzeko (nola sakatzen dugun, zenbat aldiz, zein abiaduratan idazten dugun). Datu minimizazioa egitea eta informazioa enkriptatzea gomendatzen da, bereziki osasun testuinguruetan edo ordainketa sistemetan (telefonoarekin ordaintzean adibidez). Sentsore hauek fisikoki "hackeatu" daitezke teorian seinale faltsuak sortuz, baina hori laborategiko eraso sofistikatua litzateke eta ez da ohikoa kalean. Hala ere, kontuan izan behar da gure hatz-markak uzten ditugunean pantailetan, biometria hori ere sentsoreen bidez jasotzen dela.

 Ikus, gainera 

 Sentsore induktibo
 Kondentsadore
 Ukipen pantaila
 Eremu elektriko
 Elektronika

 Erreferentziak 

 Kanpo estekak 

 Capacitive Sensor Explained - RealPars
 Introduction to Capacitive Sensing - EDN

Kategoria:Sentsoreak
Kategoria:Elektronika
Kategoria:Teknologia