Capacitieve sensor
Een capacitieve sensor is een elektronisch onderdeel dat iets kan "voelen" zonder het aan te raken, door te meten hoe een elektrisch veld verandert wanneer een object in de buurt komt. Denk aan het aanraakscherm van een smartphone: als je met je vinger over het glas beweegt, drukt er niets in, er buigt niets door. Toch weet het scherm precies waar je vinger zich bevindt. Dat komt doordat je lichaam, dat voor een groot deel uit water en zouten bestaat, elektrische lading geleidt. Zodra je vinger dicht bij het glas komt, verstoort dat een zwak elektrisch veld onder het oppervlak, en die verstoring registreert de sensor.
Capacitieve sensoren zitten in veel meer apparaten dan alleen schermen. Ze meten waterniveaus in tanks, detecteren of iemand op een stoel zit, registreren vingerafdrukken en signaleren of een deurgreep wordt aangeraakt. Het principe is steeds hetzelfde: een elektrisch veld tussen twee geleidende oppervlakken (elektroden) verandert meetbaar zodra er een ander object, materiaal of lichaamsdeel in de buurt komt. Die verandering wordt capaciteit genoemd, en het meten daarvan geeft de sensor zijn naam.
Wat is het precies?
Om capacitieve sensoren te begrijpen, helpt het om eerst te weten wat een condensator is. Dat is een simpel onderdeel dat bestaat uit twee geleidende platen met een isolerende laag ertussen. Leg je er een elektrische spanning op, dan slaat de condensator een beetje lading op. Hoeveel lading hij kan opslaan bij een bepaalde spanning, heet de capaciteit, uitgedrukt in farad.
De capaciteit van zo'n opstelling hangt af van drie dingen: het oppervlak van de platen, de afstand ertussen, en het materiaal (het diëlektricum) dat ertussen zit. Verander een van die drie, en de capaciteit verandert mee. Een capacitieve sensor maakt daar handig gebruik van: hij houdt één of meer elektroden constant, en laat de omgeving de rol van "tweede plaat" of "tussenmateriaal" spelen.
Er zijn twee hoofdvarianten. Bij self-capacitance (zelfcapaciteit) meet een enkele elektrode zijn eigen capaciteit ten opzichte van de aarde. Komt een vinger dichtbij, dan werkt die vinger zelf als extra "plaat" en stijgt de gemeten capaciteit. Bij mutual capacitance (wederzijdse capaciteit) staan twee elektroden loodrecht op elkaar in een rasterpatroon, zoals in de meeste moderne touchscreens. Een vinger die op het kruispunt komt, onttrekt een deel van het elektrisch veld tussen de twee elektroden, waardoor de gemeten capaciteit juist daalt. Mutual capacitance kan meerdere aanrakingen tegelijk onderscheiden, wat multitouch mogelijk maakt.
De meetelektronica achter een capacitieve sensor bestaat meestal uit een oscillatorcircuit of een oplaad-ontlaadschakeling die de capaciteit vertaalt naar een tijdsduur, frequentie of spanning. Een chip zet dat signaal om in digitale data die een processor kan interpreteren. Omdat het gaat om zeer kleine ladingsveranderingen, is een goede afscherming tegen ruis en storing essentieel.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van capacitieve sensing is bediening zonder mechanische bewegende delen. Een knop die fysiek indrukt, kan slijten, vastlopen of lekken. Een capacitief oppervlak kan volledig verzegeld worden onder glas of kunststof, wat het bestand maakt tegen stof, water en vuil. Dat maakt de techniek aantrekkelijk voor apparaten die vaak worden gebruikt of in ruwe omgevingen staan.
Daarnaast is capacitieve sensing energiezuinig en goedkoop te integreren in kleine, dunne behuizingen, wat het geschikt maakt voor smartphones, wearables en compacte industriële apparatuur. Buiten de wereld van schermen wil men er vooral mee bereiken dat metingen contactloos kunnen: het niveau van een vloeistof in een gesloten tank meten zonder de tank te openen, of detecteren of een stoel bezet is zonder een drukschakelaar die kan verslijten.
Een derde doel is precisie in menselijke interactie: door meerdere elektroden te combineren, kunnen ontwikkelaars niet alleen aanraking maar ook nabijheid, druk (indirect, via veranderende afstand) en gebaren detecteren. Dat maakt capacitieve sensoren een bouwsteen voor intuïtieve mens-machine-interfaces.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de vroegste gedocumenteerde beschrijvingen van capacitieve aanraakdetectie komt van E.A. Johnson, die begin jaren zestig bij het Britse Royal Radar Establishment werkte aan aanraakschermen voor luchtverkeersleiding en zijn bevindingen publiceerde in het tijdschrift Electronics Letters.
Begin jaren zeventig ontwikkelde ingenieur Bent Stumpe bij CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica, een doorzichtig capacitief touchscreen dat werd ingezet in een controlekamer voor deeltjesversnellers, een van de eerste praktische toepassingen buiten een onderzoekslab.
De grote doorbraak bij het grote publiek kwam in 2007 met de iPhone van Apple, die projected-capacitive multitouch-technologie combineerde met software-interactie en daarmee het huidige tijdperk van touchscreen-smartphones inluidde.
Buiten schermen om zijn capacitieve sensoren wijdverbreid in de auto-industrie: sinds het begin van de jaren 2000, mede door Amerikaanse veiligheidsregelgeving (FMVSS 208) rond airbags, gebruiken fabrikanten capacitieve occupant classification systems in autostoelen om te bepalen of er een volwassene, een kind of een leeg stoeltje zit, zodat de airbag correct wordt aangestuurd of juist uitgeschakeld.
In de landbouw en hobby-elektronica worden sinds het midden van de jaren 2010 goedkope capacitieve bodemvochtsensoren populair, zoals het open-source Chirp-project, waarmee particulieren en boeren via een simpel elektrodepaar de vochtigheid van aarde kunnen meten zonder corrosiegevoelige metalen contacten.
Hoe ver is de techniek?
Capacitieve sensing is geen nieuwe of experimentele technologie: de basisprincipes zijn decennia oud en de techniek wordt op grote schaal industrieel toegepast, van consumentenelektronica tot procesindustrie. In die zin is het een volwassen en betrouwbare technologie.
Toch is er nog volop ontwikkeling. Een actueel aandachtsgebied is het robuuster maken van sensoren tegen vocht en regen, die net als een vinger het elektrisch veld verstoren en tot valse aanrakingen kunnen leiden; fabrikanten werken aan slimmere signaalverwerking en algoritmen om regendruppels van echte aanrakingen te onderscheiden. Een ander aandachtspunt is het detecteren van aanraking door handschoenen of met natte vingers, waarbij mutual-capacitance-ontwerpen doorgaans beter presteren dan eenvoudige zelfcapaciteitssensoren.
Onderzoekers werken daarnaast aan flexibele en rekbare capacitieve sensoren, bijvoorbeeld gedrukt op textiel of dunne folie, voor toepassingen in draagbare gezondheidsmonitoring en zogenoemde elektronische huid voor robots. Deze richting is minder ver ontwikkeld dan de starre sensoren in schermen en industriële apparatuur, en kampt nog met uitdagingen rond levensduur, wasbaarheid en signaalstabiliteit bij vervorming.
Een fundamentele beperking blijft het beperkte bereik: capacitieve sensoren werken doorgaans effectief van enkele millimeters tot een paar centimeter afstand, en presteren het best bij geleidende of waterhoudende objecten zoals huid. Voor langeafstandsdetectie of het herkennen van niet-geleidende voorwerpen zijn andere technieken, zoals optische of radarsensoren, doorgaans geschikter.
Wie werken eraan?
In de halfgeleiderindustrie zijn Microchip Technology (met onder meer de maXTouch-controllers, afkomstig van het overgenomen Atmel), Texas Instruments, STMicroelectronics, NXP Semiconductors, Synaptics en het voormalige Cypress Semiconductor (sinds 2020 onderdeel van het Duitse Infineon Technologies) belangrijke leveranciers van chips voor capacitieve aanraakdetectie.
In de industriële meettechniek zijn Duitse en Zwitserse bedrijven als VEGA Grieshaber en Endress+Hauser bekende namen voor capacitieve niveau- en aanwezigheidssensoren in tanks en silo's. In de automotive sector levert onder meer het Luxemburgse IEE S.A. capacitieve systemen voor stoelbezetting.
Op onderzoeksgebied doen instituten als de Fraunhofer-Gesellschaft in Duitsland en het Holst Centre in Eindhoven werk aan flexibele, gedrukte en textiele sensoren, waaronder capacitieve varianten voor gezondheidstoepassingen en slimme kleding. Universiteiten en onderzoeksgroepen wereldwijd, onder meer in de Verenigde Staten, Duitsland, Nederland, Zuid-Korea en Japan, publiceren regelmatig over verbeterde elektrodeontwerpen, ruisonderdrukking en materiaalkeuzes voor de volgende generatie capacitieve sensoren.