Dans cet article je vais essayer de faire une petite synthèse de ce que j'ai appris des capteurs capacitifs, c'est à dire des capteurs qui utilisent l'effet capacitif d'un circuit pour détecter la présence d'objets.
Qu'est-ce que l'effet capacitif
Pour comprendre l'effet capacitif électrique il faut tout d'abord comprendre ce que représente la tension électrique aussi je vais dans un premier temps faire un petit rappel de cette notion.
La tension électrique est la mesure de la différence de valeur de champs électrique entre deux portions de circuit. Pour simplifier on pourrait dire que c'est en quelque sorte la mesure de la différence de "pression" électronique entre deux points du circuit. Rappelons que lorsqu'un atome de cuivre se voit retiré un électron il produit un champ électrique positif (ion positif) et lorsqu'il reçoit un électron supplémentaire il produit un champ électrique négatif (ion négatif).
Maintenant considérons le circuit suivant dans lequel deux plaques de cuivre distante l'une de l'autre de plusieurs dizaines de centimètres sont soumise à une tension de 9v.
Dans la plaque branchée sur la borne positive de la pile une certaine quantité d'électrons libres sont siphonnés par la borne + qui les attirent en produisant un fort champ électrique positif de 9v laissant ainsi des trous sur les atomes de cuivre ce qui en fait des ions positifs. Le siphonnage s'arrête lorsque les ions positif déploient un champ électrique d'une valeur de 9v (par rapport à la borne -).
La plaque branchée sur la borne négative de la pile recevra des électrons si elle a un potentielle supérieur à celui de la borne - et se fera siphonner l’excédant si elle à une potentiel inférieur.
La pile impose donc aux deux morceaux de circuit la valeur du champs électrique présent sur chaque borne de la pile.
Pour en revenir à ce qui nous intéresse ici rapprochons les deux plaques et voyons ce qui se passe.
Une fois les deux plaques suffisamment proches l'une de l'autre le champs électrique positif du bord droit de la plaque verte va attirer les électrons placés sur le bord gauche de la plaque noire. Plus les plaques seront proche et plus les électrons se comprimeront localement faisant par la même augmenter leurs champ électrique respectif sur les bords, cependant partout ailleurs dans les plaques le champs électrique restera au potentiel imposé par la pile.
L'effet capacitif c'est donc profiter du champs électrique d'une portion de circuit externe pour comprimer localement des électrons afin d'augmenter virtuellement le nombre de charges que peut accueillir le circuit.
Une capacité, c'est à dire une portion de circuit soumise à l'effet capacitif, est représenté dans la schématique électronique par le symbole suivant :
Elle est caractérisé par le nombre de charges électriques (en Coulomb) qu'elle peut accueillir pour une tension de 1 v.
Je rappelle que le Coulomb représente un paquet de 6,2×1018 électrons, ce qui permet de compter plus facilement les charges.
Le diélectrique
Dans l'exemple précédent j'ai un peu simplifié les choses, en effet les ions positif présents dans la plaque verte n'attirent pas directement (ou peu) les électrons de l'autre plaque, au lieu de ça les ions positif polarisent les atomes du diélectrique en attirant les électrons de ses atomes pour, de proche en proche, atteindre l'autre plaque et attirer les électrons.
Utiliser l'effet capacitif pour détecter des objets
Maintenant que nous en savons plus sur la dynamique électronique il devient plus facile d'imaginer comment nous allons pouvoir détecter des objets grâce à l'effet capacitif. Nous allons devoir approcher d'une plaque chargé un objet qui aura pour rôle de changer la capacité de la plaque et nous n'auront plus qu'a mesurer cette capacité pour avoir une image de la proximité de l'objet. Il se trouve que le corps humain est plein d'eau et que l'eau a une excellente polarisabilité nous pouvons donc utiliser notre doigt pour moduler le diélectrique d'un capteur capacitif.
Ainsi si nous reprenons l'exemple du début voici ce qui arrive quand on approche son doigt d'un capteur capacitif.
la capacité du condensateur est modifiée par l'approche du doigt.
Pour qu'un capteur soit efficace il faudra cependant lui ajouter quelques petites choses pour le rendre pleinement fonctionnel.
L'espacement
Il faudra faire en sorte que la forme du capteur favorise sa fonction de capteur c'est à dire que le doigt permettre de modifier sensiblement la capacité du condensateur. En règle générale on veut des capteurs tactiles plats, on mettra donc plutôt les plaques côte à côte comme sur les dessin précédent, et on laissera un espace entre les plaques qui soit suffisamment petit pour que l'objet à détecter puisse correctement jouer son rôle de diélectrique. Ainsi si on doit détecter un doigt on espacera les plaques de quelques millimètres et pas de 10 centimètres.La taille
On évitera de faire des zone trop grande afin d'augmenter la sensibilité du capteur. en effet si vous faite une plaque de cuivre d'un mètre par un mètre l'effet de votre doigt sur la capacité globale de la plaque deviendra négligeable.L'isolation du contact
Enfin il faudra couvrir les plaques d'un matériel isolant afin que le fait de toucher le capteur ne décharge pas ce dernier.
Après cela il ne nous reste plus qu'a mettre en œuvre une méthode de mesure de la capacité et nous aurons un capteur capacitif mais ceci sera pour un autre article.
