Sensor de humedad del suelo - Interdigital (FEF) vs Coplanar

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Estoy trabajando en el desarrollo de un sensor capacitivo de humedad del suelo de bajo costo que utiliza cambios de permitividad dieléctricos para estimar la humedad.

Encontré que el capacitor interdigital basado en FR-4 tiene más capacitancia que un coplanar del mismo tamaño. Sin embargo, necesito cierta perspectiva en cuanto al rango del campo eléctrico que emitirá cada uno, ya que determina mi rango de detección. Las perspectivas de las experiencias prácticas de los usuarios pueden ayudarme a evaluar mejor esta situación.

Una imagen de las dos sondas

Edición 1:

Actualmente estoy experimentando con la frecuencia operativa que se va a usar, pero estará en un rango de 5 a 10 Mhz. Lo que deduzco de los trabajos de investigación es que la PCB de un condensador puede funcionar como sonda de humedad del suelo debido a su campo de franjas. Los valores que obtuve - dos capacitores paralelos alrededor de 14pf , FEF (interdigital) - alrededor de 25pf

El grosor del suelo que pretendo medir la humedad es de aproximadamente 0.5 m

    
pregunta Parin10

2 respuestas

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Ambos son coplanares. Este no es un filtro SAW o un filtro de microondas, sino una capacitancia concentrada basada en el espesor de cobre y la relación W / g de las pistas para cualquier patrón. El rango puede depender del contenido de humedad, pero será aproximadamente unas pocas veces el ancho del espacio.

Hay un efecto de apertura en la capacitancia donde la brecha está inversamente relacionada con la capacitancia cuya brecha es proporcional a la altura a la que se desplaza el campo de franja perpendicular.

Er para agua = 80 aprox. y de 4 a 4.5 para FR4 dependiendo de la relación de vidrio / epoxi y la frecuencia < 1GHz.

Pero para electrodos de borde, tiene menos impacto al ser solo en un lado de los electrodos. La capacitancia dependerá de la longitud total del borde, siendo las otras variables la relación ancho / hueco (pu) por unidad de longitud a algunas series de potencia a continuación.

El contenido de agua pura es de 18 a 20 veces la constante dieléctrica relativa Er del FR4 = 4 ~ 4.5, dependiendo de la proporción y frecuencia de vidrio / epoxi.

  • Cuando se reduce el ancho del conductor, la capacitancia también se reduce.
  • La precisión depende de que el contenido de humedad del suelo NO esté muy por debajo de la relación inversa 1 / 20x = < 5% de humedad. De lo contrario el FR4 domina.
  • Cuando el espacio es pequeño, depende de que la humedad esté cerca de la superficie del tablero.
  • por lo tanto, una vez que se define el contenido de humedad objetivo para el umbral, se puede encontrar una relación W / g de optimap.

  • Las pistas delgadas suelen ser 1nH / mm y para W / g = 1, las pistas anchas (W) tendrán una inductancia mucho menor dependiendo de W / longitud y grosor.

¿Qué frecuencia planea usar? y ¿qué espesor de suelo desea muestrear en cuanto al contenido de humedad?

COMSOL es quizás la mejor herramienta para la simulación, pero los cálculos de línea de banda se pueden realizar sin un plano de tierra (o muy lejos) para una placa de un solo lado con electrodos coplanares.

Maxwell calculó y dibujó las líneas de la Fuerza del Campo E con valores equipotenciales que se extendían alrededor de los bordes, lo que puede aplicarse a la vista del borde del tablero.

Observe cómo disminuye cuando la distancia es mayor que la brecha.

UtilicélaherramientadediseñodePCBdeSaturnoyelegí"pares diferenciales, tierra externa acoplada al borde (sin juego de palabras). Tenga en cuenta que para proporciones grandes o grandes huecos, la precisión de los datos disminuye y no es confiable.

  • Tenga en cuenta que el efecto de FR4 se incrementa la impedancia dieléctrica con más espacio y se levanta con pequeños electrodos que hacen que las mediciones dieléctricas del suelo cambien en un ancho mayor del suelo pero con valores más pequeños.
  • Este modelo del ancho de la pista a la separación o ** ** afectará la impedancia capacitiva por esta tendencia para una longitud de pista de geometría y frecuencia fija.

  • donde Zo = (L / C} ^ 0.5 y Zc = (2πfC) ^ - 1

  • Líneas de disciplina coplanares, No gnd plane
  • pistas laterales superiores 18um Cu 35um chapado sobre 1 cara FR4
respondido por el Tony EE rocketscientist
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El epoxi (y el nylon) absorben grandes cantidades de agua, hasta varios% Como el agua tiene una Er mucho mayor, esto provoca un cambio significativo en C debido al cambio en la humedad de la PCB.

Hay una razón por la que los sensores de lluvia están hechos de esta manera, pero las sondas de humedad del suelo tienden a ser dos barras de metal separadas.

Si lo estuvieras haciendo con pcb, probablemente tendría las placas bien separadas con un surco enrutado entre ellas para que el suelo sea el dieléctrico principal

El suelo puede comportarse de manera bastante extraña a veces para algunos sensores simples: supongo que la solución gónica aleatoria + iónica acuosa puede parecerse a una batería o un condensador electrolítico, y no solo a un simple material dieléctrico

    
respondido por el Henry Crun

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