capasitive sensing elements

Kapasitor yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan dengan huruf “C” adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867) sehingga satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011 cm2 yang artinya luas permukaan kepingan tersebut.

Gambar 2.1 Kapasitor dengan lempeng sejajar
Struktur sebuah kapasitor terbuat dari dua buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul pada ujung metal yang lainnya. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutub positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya.
Kapasitansi suatu kapasitor didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron. Coulombs pada abad ke-18 menghitung bahwa 1 Coulomb = 6.25 x 1018 elektron. Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki kapasitansi sebesar 1 Farad jika dengan tegangan 1 volt dapat memuat muatan elektron sebanyak 1 Coulomb. Dengan persamaan matematis dapat dituliskan:
(2.1)
dimana:
Q = muatan elektron dalam C (Coulombs);
C = nilai kapasitansi dalam F (Farad);
V = besar tegangan dalam v (volt).

Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian adalah sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain (pada PS = Power Supply), sebagai filter dalam rangkaian PS, sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antenna, untuk menghemat daya listrik pada lampu neon, menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar

2.2 Dielektrikum
Dielektrisitas merupakan karakter tingkatan suatu bahan (dielektrikum) apabila terpolarisasi oleh medan listrik. Dielektrikum yaitu bahan yang tidak memiliki electron bebas. Jika suatu dielektrikum tidak dipengaruhi medan listrik, muatan positif dan negative tidak akan terpisah.





Gambar 2.2 Dielektrikum yang dipengaruhi medan listrik
Jika suatu dielektrikum dipengaruhi medan listrik, maka muatan negatif dalam dielektrikum akan ditarik ke arah yang bertentangan dengan arah medan listrik, sedangkan muatan positif ditarik ke arah searah dengan arah medan listrik, sehingga muatan positif dan negatif terpisah. Pengaruh muatan positif dan negatif dalam dielektrikum saling menetralkan, jadi yang berpengaruh hanyalah muatan di tepi dielektrikum. Muatan induksi di tepi dielektrikum ini terjadi ketika dipengaruhi medan listrik. Dengan adanya muatan induksi pada tepi-tepi dielektrik, maka kuat medan listrik menjadi lebih kecil karena muatan-muatan induksi menyebabkan medan listrik ke arah yang berlawanan dengan medan listik muatan asli. Apabila rapat muatan asli  dan rapat muatan induksi 1, maka kuat medan listrik dalam dielektrik diantara lempengan bermuatan berlawanan adalah
(2.2)
dengan rapat muatan induksi berbanding lurus dengan kuat medan listrik yang mempengaruhinya . Tetapan  dinamakan suseptibilitas listrik dielektrikum, dimana semakin besar suseptibilitasnya maka semakin mudah diinduksikan muatan listrik.


(2.3)
tetapan dielektrikum didefinisikan sebagai:
maka (2.4)
permitivitas dielektrikum didefinisikan sebagai:
(2.5)
maka diperoleh hubungan antara medan listrik dengan permitivitas dielektrikum:
(2.6)
(Dosen-dosen Fisika, 2008)
2.3 Jenis-jenis Kapasitor
Kapasitor terdiri dari beberapa jenis, bergantung dari bahan dielektriknya ataupun berdasarkan bentuk geometris lempeng konduktor. Jenis kapasitor berdasarkan bentuk geometris lempeng konduktor dibagi menjadi 3, yaitu:
a) Kapasitor Lempeng Sejajar
Kapasitor lempeng terdiri dari dua lempeng luas masing-masing A, jarak d, dan bermuatan +q dan yang lain –q. Kuat medan listrik diantara dua lempeng, jika σ adalah rapat muatan bidang dijelaskan sebagai berikut:

+q -q
d
0 x
x1
x2
Gambar 2.3 Kapasitor Lempeng Sejajar




Sehingga, kapasitor lempeng sejajar memiliki kapasitansi:
(2.7)
b) Kapasitor Bola
Berikut ini adalah uraian matematis pada perhitungan kapasitansi pada kpasitor bola, dengan menggunakan konsep Gauss didapatkan,
dan R2 -q
r +q

Kapasitansi kapasitor bola: Gambar 2.4 Kapasitor Bola
(2.8)

c) Kapasitor Silinder
Besar kapasitansi pada kapasitor silinder dijelaskan sebagai berikut,
+q -q

L
R1
R2
Gambar 2.5 Kapasitor Silinder
Medan listrik diantara dua konduktor berdasarkan hukum Gauss didapatkan,




Kapasitansi kapasitor silinder (2.9)
Jenis kapasitor berdasarkan bahan dielektriknya dapat dibagi menjadi 3, yaitu: (Anonim, 2009 dikutip dari http://www.cnt121.com)
a) Kapasitor Elektrosatik
Kapasitor elektrostatik adalah kelompok kapasitor yang dibuat dengan bahan dielektrik dari keramik, film dan mika. Keramik dan mika adalah bahan yang terkenal serta murah untuk membuat kapasitor yang kapasitansinya kecil. Tersedia dari besaran pF sampai beberapa µF, yang biasanya untuk aplikasi rangkaian yang berhubungan dengan frekuensi tinggi. Termasuk kelompok bahan dielektrik film adalah bahan-bahan material seperti polyester (polyethylene terephthalate atau dikenal dengan sebutan mylar), polystyrene, polyprophylene, polycarbonate, metalized paper dan lainnya. Umumnya kapasitor jenis ini adalah kapasitor non-polar.


b) Kapasitor Elektrolit
Kelompok kapasitor elektrolit terdiri dari kapasitor-kapasitor yang bahan dielektriknya adalah lapisan metal-oksida. Umumnya kapasitor yang termasuk kelompok ini adalah kapasitor polar dengan tanda + dan – di badannya. Kapasitor ini memiliki polaritas karena proses pembuatannya menggunakan elektrolisa sehingga terbentuk kutub positif anoda dan kutub negatif katoda.
Telah lama diketahui beberapa metal seperti tantalum, aluminium, magnesium, titanium, niobium, zirconium dan seng (zinc) permukaannya dapat dioksidasi sehingga membentuk lapisan metal-oksida (oxide film). Lapisan oksidasi ini terbentuk melalui proses elektrolisa, seperti pada proses penyepuhan emas. Elektroda metal yang dicelup ke dalam larutan elektrolit (sodium borate) lalu diberi tegangan positif (anoda) dan larutan elektrolit diberi tegangan negatif (katoda). Oksigen pada larutan elektrolit terlepas dan mengoksidasi permukaan plat metal. Contohnya, jika digunakan Aluminium, maka akan terbentuk lapisan Aluminium-oksida (Al2O3) pada permukaannya.

Gambar 2.2 Kapasitor dengan dielektrik berupa elektrolit
Dengan demikian berturut-turut plat metal (anoda), lapisan-metal-oksida dan elektrolit (katoda) membentuk kapasitor. Dalam hal ini lapisan-metal-oksida sebagai dielektrik. Dari persamaan (2.2) diketahui besar kapasitansi berbanding terbalik dengan tebal dielektrik. Lapisan metal-oksida ini sangat tipis, sehingga dengan demikian dapat dibuat kapasitor yang kapasitansinya cukup besar.
c) Kapasitor Elektrokimia
Satu jenis kapasitor lain adalah kapasitor elektrokimia. Termasuk kapasitor jenis ini adalah battery dan accu. Pada kenyataannya battery dan accu adalah kapasitor yang sangat baik, karena memiliki kapasitansi yang besar dan arus bocor (leakage current) yang sangat kecil. Tipe kapasitor jenis ini juga masih dalam pengembangan untuk mendapatkan kapasitansi yang besar namun kecil dan ringan, misalnya untuk aplikasi mobil elektrik dan telepon selular.
2.4 Rangkaian Kapasitor
Rangkaian kapasitor secara seri akan mengakibatkan nilai kapasitansi total semakin kecil. Di bawah ini contoh kapasitor yang dirangkai secara seri.

Pada rangkaian kapasitor yang dirangkai secara seri berlaku:



Rangkaian kapasitor secara paralel akan mengakibatkan nilai kapasitansi pengganti semakin besar. Di bawah ini contoh kapasitor yang dirangkai secara paralel.

Pada rangkaian kapasitor paralel berlaku:













Sensor elemen adalah elemen pertama dalam sistem pengukuran, yang langsung kontak dengan proses atau sistem yang sedang diukur. Input elemen ini adalah nilai sebenarnya dari variabel yang diukur sedangkan output dari elemen tergantung pada nilai ini.
Unsur-unsur elemen dikelompokkan berdasarkan apakah sinyal output listrik, mekanis, panas atau optik. Elemen dengan output listrik dibagi lagi menjadi pasif dan aktif. Perangkat pasif seperti elemen resistif, kapasitif dan induktif memerlukan catu daya eksternal agar dapat memberikan tegangan atau arus keluaran sinyal sedangkan perangkat aktif contohnya elektromagnetik dan elemen thermoelectric, tidak memerlukan catu daya eksternal.
Berdasarkan table di bawah ini bisa dilihat bahwa pada kapasitif elemen dapat merasakan tekanan (pressure), ketinggian atau level cairan, perpindahan (displacement/strain) dan kelembaban (humidity).
3.1 Sensor Kapasitif Berbasis Pergeseran Jarak Lempeng
Simpel Kapasitif terdiri dari 2 plat fix yang di tengah nya diberi dielektrik atau insulating material dengan pernyataan . Jika jarak antara 2 plat fix tadi meningkat sejauh x maka kapasitansi dari sensor menjadi

x



3.2 Sensor Kapasitif Berbasis Pergeseran Luasan Lempeng
Ada hubungan berbanding terbalik antara C dan x.. Pada tipe variabel area, perpindahan x menyebabkan overlap area untuk berkurang dengan .dengan w adalah lebar dari lempeng. Maka kapasitifnya menjadi


x d



3.3 Sensor Kapasitif Berbasis Pergeseran Dielektrikum
pada tipe ini perpindahan x merupakan perubahan dari beberapa dielektrik pada suatu susunan kapasitor , total nilai kapasitif nya adalah jumlah dari 2 kapasitansif(yang satu dengan A1 dan , yang kedua dengan A2 dan ).
Maka kapasitif total adalah


Ketika dan w adalah lebar area maka




3.4 Sensor Kapasitif Berbasis Tekanan


Susunan dari kapasitif sensor tekanan adalah seperti di atas. Dimana satu plat fix berupa metal disk. Plat yang lain berupa plat fleksibel circular diagram. Dielektrik nya berupa udara dengan . Diagram tadi berupa elastis sensing elemen yang perubahan terjadi karena tekanan P. Defleksi y pada radius r adalah :

Dimana : a = radius of diagram
t =Tebal dari diagram
E = young’s modulus
v = perbandingan poison
deformasi dari diagram berarti bahwa rata – rata pemisahan plat direduksi.








3.5 Sensor Kapasitif untuk Level












Tingkat kapasitansi sensor dalam merasakan kehadiran beragam makanan padat, berair dan organik cair, dan slurries. Teknik ini sering disebut sebagai RF untuk sinyal frekuensi radio diterapkan ke rangkaian kapasitansi. Sensor dapat dirancang untuk pengertian konstanta dielektrik bahan dengan serendah 1.1 (coke dan fly ash) dan paling tinggi 88 (air) atau lebih. Lumpur dan dehidrasi slurries seperti kue dan bubur limbah (konstan dielektrik approx. 50) dan cairan bahan kimia seperti kapur (konstan dielektrik approx. 90) juga dapat dirasakan. Dual-probe tingkat kapasitansi sensor juga dapat digunakan untuk merasakan antarmuka antara dua cairan yang tidak bercampur dengan konstanta dielektrik yang berbeda secara substansial, memberikan alternatif keadaan padat magnetik tersebut float switch untuk "antarmuka minyak-air" aplikasi.
Karena tingkat kapasitansi sensor perangkat elektronik, fase modulasi dan penggunaan frekuensi yang lebih tinggi membuat sensor cocok untuk aplikasi di mana konstanta dielektrik serupa. Sensor tidak berisi bagian yang bergerak, yang kasar, mudah digunakan, mudah dibersihkan, dan dapat dirancang untuk suhu dan tekanan tinggi aplikasi. Sebuah bahaya ada dari membangun dan pembuangan tegangan tinggi muatan statik yang dihasilkan dari gerakan mengusap dan bahan-bahan dielektrik rendah, tetapi bahaya ini dapat dihilangkan dengan perancangan yang tepat dan landasan.

Pilihan yang tepat bahan probe mengurangi atau menghilangkan masalah yang disebabkan oleh abrasi dan korosi. Tingkat titik merasakan dari perekat dan bahan-bahan viskositas tinggi seperti minyak dan lemak dapat mengakibatkan terbentuknya materi pada probe, akan tetapi, hal ini dapat diperkecil dengan menggunakan sensor tuning diri. Cairan cenderung berbusa dan aplikasi rentan terhadap percikan atau turbulensi, tingkat kapasitansi sensor dapat dirancang dengan menenangkan splashguards atau sumur, antara perangkat lain.
Pembatasan yang signifikan untuk probe kapasitansi tinggi adalah sampah digunakan untuk menyimpan makanan padat massal. Persyaratan konduktif probe yang meluas ke bagian bawah rentang diukur bermasalah. Konduktif kabel panjang probe (20-50 meter panjang) ditangguhkan ke tempat sampah atau silo, tunduk pada ketegangan mekanik yang sangat besar karena sebagian besar berat bubuk di dalam silo dan gesekan diterapkan pada kabel. Instalasi seperti itu akan sering mengakibatkan kerusakan kabel.

Aplikasi Capacitive sensing element
Ada banyak sekali kegunaan dari pemanfaatan kapasitif sensor. Salah satu nya adalah kapasitif level sensor. Kapasitif level sensor terdiri dari 2 buah plat yang berbentuk silindris yang saling berkosentris atau mempunyai garis simetri yang sama dan satu inti. Kapasitif level sensor ini digunakan untuk mengukur suatu level fluida yang ada disuatu tangki yang kemudian dapat didisplaykan melalui LCD.

Kapasitif level sensor ini dipasang pada tangki seperti pada gambar dibawah ini,

Kapasitif level sensor dipasang dipermukaan air seperti pada gambar diatas. Untuk pengukuran pada tangki yang berbentuk silindris maka kulit dari tangki itu dapat bekerja sebagai plat luar dari kapasitif level sensor. Kapasitif dari sensor itu adalah :

Dimana tinggi silinder adalah dan kedalaman silinder yang tercelup air z.

Dari kapasitif sensing elemen itu kemudian disambungkan ke rangkaian electrical oscillator circuit atau deflection bridge circuit. Ilustrasi pada gambar di bawah ini :

Input yang masuk merupakan outputan dari kapasitif sensor yang berupa perubahan nilai kapasitif (C). Kemudian diproses melalui electrical oscillator circuit atau deflection bridge circuit menjadi Vo. Dengan rumusan :



Maka,
……………………………………………………(1)
Jika R/Ro dimisalkan 1 maka
……………………………………………………………..(2)
Dengan rumus 1 dan 2 maka level dari tangki tersebut dapat diidentifikasi. Dan dapat divisualisasikan melalui display LCD.

Aplikasi sensor kapasitif untuk tekanan
Aplikasi sensor kapasitif lainnya adalah pada tekanan yaitu silikon micromachined kapasitif sensor tekanan absolut dirancang untuk aplikasi industri. Capacitive mengandalkan sensor-sensor tekanan tekanan yang diterapkan mengubah jarak antara kedua elektroda menyebabkan perubahan dalam kapasitansi. Biasanya, posisi salah satu elektroda adalah tetap sedangkan elektroda kedua bergerak relatif terhadap itu. Banyak kapasitif berbasis mikro telah dikembangkan hingga saat ini, tetapi melanjutkan kemajuan dalam teknologi proses menawarkan peluang baru untuk fabrikasi perangkat tersebut. Ikatan fusi silikon, silikon meningkatkan proses etsa dan penggunaan pemodelan elemen hingga telah memungkinkan perkembangan pesat perangkat baru-baru ini. Tujuan pekerjaan ini adalah untuk mengembangkan prototipe kerja menunjukkan perubahan besar kapasitansi atas rentang tekanan yang dikehendaki (0-8 bar), perilaku yang menyederhanakan operasi linearisation, dan dapat mengarang dengan menggunakan silikon berbiaya rendah batch proses fabrikasi.
Perangkat yang disajikan di sini terdiri dari dua fusi silikon substrat terikat bersama dengan silikon dioksida (SiO 2) lapisan passivating terjepit di antara mereka (lihat gambar. 1). Bentuk wafer silikon baik sensor mekanik dan elektroda kapasitor sehingga tidak diperlukan metalised elektroda. Bagian atas substrat silikon telah membentuk corrugations terukir dalam diafragma untuk menentukan perilaku dari diafragma di bawah tekanan. Ketebalan lapisan SiO 2 menentukan kesenjangan antara elektroda dan karena itu, bersama dengan ikatan lingkar di sekitar diafragma, kapasitansi dasar perangkat. Kedua permukaan bebas dari ikatan pasangan wafer yang dilapisi dengan 1 m m aluminium memungkinkan kontak puncak yang akan dibentuk oleh ikatan kawat ke atas permukaan, bawah dengan ikatan chip sensor untuk paket dengan conductive epoxy.




KESIMPULAN

Kesimpulan dari pembahasan di atas adalah :
1. Sensor kapasitif elemen bisa bekerja karena adanya pergeseran jarak lempeng, pergeseran luasan lempeng, pergeseran dielektrikum dan perubahan tekanan sehingga kapasitif elemen tersebut bisa merasakan tekanan (pressure), ketinggian atau level cairan, perpindahan (displacement/strain) dan kelembaban (humidity).
2. Salah satu aplikasi kapasitif sensor adalah pada kapasitif level sensor yang digunakan untuk mengukur suatu level fluida yang ada disuatu tangki yang kemudian dapat didisplaykan melalui LCD dimana input yang masuk pada sensor merupakan outputan dari kapasitif sensor yang berupa perubahan nilai kapasitif (C). Kemudian diproses melalui electrical oscillator circuit atau deflection bridge circuit menjadi Vo.


















DAFTAR PUSTAKA

Anonim.2009.The Capasitive Sensor – Tekanan & Accelerometer. Dikutip dari “The Art of Practice and Precise Sharing Based on Measurement” James Phenon.

Bentley, John P.1994. Principles of Measurement Systems. Singapore : Longman Sing Publisher (Ptc)Ltd.

Capasitive Sensors Operation And Optimization. 2009. dikutip dari http://www.lion-precision.com

Raaja, Ganesh.2009.Implement Capasitive Proximity Sensing.Cypress Smiconductor Corp, EE Times India dikutip dar http://eetindia.com

Williams, Charles D.H.2009.Introduction to Sensor. University of Exeter.

Yurish, Sergey Y.2009.Universal Capasitive Sensor & Transducer Interface. Procedia Chemistry 1 (2009) 441-444

http://electric-part.blogspot.com/2009/02/pressure-transducer.html

http://cnt121.com/2007/11/03/kapasitor-2/

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=MImg&_imagekey=B983C-4X49BRW-7R-1&_cdi=59039&_user=6478051&_orig=search&_coverDate=08%2F31%2F2009&_sk=999989998&view=c&wchp=dGLbVlb-zSkzk&md5=805827648e25af60a8d44a191cb759df&ie=/sdarticle.pdf

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=MImg&_imagekey=B983C-4X49BRW-3Y-1&_cdi=59039&_user=6478051&_orig=search&_coverDate=08%2F31%2F2009&_sk=999989998&view=c&wchp=dGLbVlb-zSkzk&md5=df721b0ba064d975d01e51d619cd8cbd&ie=/sdarticle.pdf

http://www.csee.ltu.se/~johanc/E7021E/E7021E_lecture09.pdf