Ein Kapazitiv-Sensor besteht aus mindestens zwei leitfähigen Elektroden, die voneinander isoliert sind. Die Elektroden sind normalerweise auf einem Substrat angeordnet und können verschiedene Formen haben, wie etwa Flächen, Linien oder Gitter.
Die Kapazität eines solchen Sensors hängt von der Grösse der Elektroden, dem Abstand zwischen ihnen und den dielektrischen Eigenschaften des Mediums zwischen den Elektroden ab.
Wenn sich ein Objekt in der Nähe des kapazitiven Sensors bewegt oder diesen berührt, ändert sich die Kapazität des Sensors. Dies geschieht, weil die elektrischen Feldlinien zwischen den Elektroden durch das dielektrische Medium und das Objekt beeinflusst werden.
Die Änderung der Kapazität wird vom Sensor erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal kann dann interpretiert werden, um Informationen über die Position, Annäherung oder Berührung des Objekts zu liefern.
Kapazitive Sensoren werden häufig in berührungsempfindlichen Bildschirmen – dem kapazitiven Touchscreen oder auch “kapazitives Display” genannt –eingesetzt. Die bekanntesten Beispiele sind Smartphones und Tablets. Wenn ein Benutzer den Bildschirm berührt, ändert sich die Kapazität an der Berührungsstelle, und der Sensor erkennt dies als Eingabe.
Wird der Sensor als kapazitiver Drucksensor verwendet, dann wird die Bedienfläche durch einen Druck verformt oder verschoben, wodurch sich der Plattenabstand und damit die elektrisch messbare Kapazität ändert.
Kapazitive Touch Sensoren können an die spezifischen Anforderungen einer Anwendung angepasst werden, indem die Empfindlichkeit eingestellt wird. Auf diese Art kann man den Sensor für verschiedene Materialien und Entfernungen optimieren.
Kapazitive Touch Sensoren werden als kapazitiver Touchscreen, also in berührungsempfindlichen Bildschirmen von Smartphones, Tablets, Laptops und anderen elektronischen Geräten verwendet, um Benutzereingaben über Berührung zu erkennen.
Darüber hinaus finden sie Anwendung in der industriellen Automatisierung und für Füllstandsmessungen von Flüssigkeiten oder Feststoffen in Tanks oder Behältern. Man findet sie auch in der Medizintechnik, bei Sicherheitssystemen, bei Haushaltgeräten und im Bereich der Raum- und Luftfahrttechnik.
Die breite Anwendbarkeit von kapazitiven Sensoren macht sie zu einem wichtigen Bestandteil in zahlreichen Branchen und technologischen Anwendungen, bei denen die Erkennung von Berührung, Nähe oder Veränderungen in der Umgebung erforderlich ist.
Kapazitive Sensoren bieten zahlreiche Vorteile, insbesondere bei der berührungslosen Erkennung von Objekten, stoßen jedoch in bestimmten Anwendungen an ihre Grenzen. Eine wesentliche Einschränkung besteht in der Empfindlichkeit gegenüber Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Staub oder Temperaturschwankungen. Besonders Wasser und hohe Luftfeuchtigkeit können das Messergebnis verfälschen, da sie die Kapazität durch ihre hohe Dielektrizitätskonstante beeinflussen. Auch Verschmutzungen oder Ablagerungen auf der Sensorfläche können zu Fehlmessungen führen.
Ein weiterer begrenzender Faktor ist die geringe Reichweite kapazitiver Sensoren. Sie sind in der Regel nur für Distanzen von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern ausgelegt. Für größere Entfernungen eignen sich andere Sensortechnologien wie beispielsweise optische oder induktive Sensoren besser. Darüber hinaus hängt die Funktion kapazitiver Sensoren stark von den dielektrischen Eigenschaften des zu erfassenden Materials ab. Dies kann problematisch sein, wenn Materialien unbekannt, inhomogen oder sich ändernd sind, da dies die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann.
Zudem sind kapazitive Sensoren anfällig für elektromagnetische Störungen. Da sie auf sehr kleine Kapazitätsänderungen reagieren, können elektrische Felder in der Umgebung ihre Funktionsweise beeinflussen, was eine zusätzliche Abschirmung oder sorgfältige Installation notwendig macht. Auch wenn sie prinzipiell in der Lage sind, Objekte durch nicht leitende Materialien wie Kunststoff oder Glas hindurch zu erkennen, nimmt die Genauigkeit mit zunehmender Materialdicke oder -dichte deutlich ab.
Schließlich sind kapazitive Sensoren für die Detektion von metallischen Objekten über größere Distanzen weniger geeignet. In solchen Fällen bieten induktive Sensoren meist eine robustere und störungssicherere Alternative. Insgesamt sind kapazitive Sensoren daher besonders für Anwendungen mit kurzen Distanzen, bekannten Materialeigenschaften und kontrollierten Umgebungsbedingungen geeignet, während sie in rauen oder stark variierenden Einsatzbereichen an ihre Grenzen stoßen.
Der Projected Capacitive (PCAP) ist eine spezielle Art von kapazitivem Sensor, der oft in berührungsempfindlichen Bildschirmen eingebaut wird. Bei PCAP-Sensoren wird eine transparente Schicht mit mikroskopisch kleinsten, leitfähigen Drähten oder Elektroden auf die Oberfläche eines Bildschirms aufgebracht. Diese Elektroden erzeugen ein elektrisches Feld auf der Bildschirmoberfläche. Wenn ein leitfähiges Objekt (z.B. ein Finger) die Oberfläche berührt oder sich ihr nähert, stört es das elektrische Feld und verursacht eine Kapazitätsänderung, die erkannt wird.
PCAP bietet eine präzise und schnelle Berührungserkennung und Multitouch-Funktionalität. Bei der Anwendung hinter Glas sind die Sensoren kratzfest geschützt und langlebig.