정전용량 변위센서 (Capacitive Displacement Sensor)
한 줄 정의: 센서 전극과 측정 대상 사이의 정전용량이 거리에 따라 변하는 것을 이용해 비접촉으로 미세 변위를 재는 센서입니다.
쉽게 풀면
두 도체가 마주 보면 전기를 저장하는 능력인 정전용량이 생기고, 둘 사이가 가까울수록 커집니다. 이 센서는 측정 대상과 센서 사이 간격 변화를 정전용량 변화로 읽어 거리로 바꿉니다. 대상에 닿지 않고도 나노미터 수준의 움직임을 잴 수 있습니다.
왜 중요한가
반도체 장비의 스테이지 위치 제어, 정밀 회전축 흔들림 측정, 나노 위치결정 장치 보정처럼 극도로 작은 움직임을 다루는 분야에서 핵심 센서입니다. 비접촉이라 측정 대상에 힘을 주지 않습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"압전 스테이지의 변위는 분해능 1 nm의 정전용량 변위센서로 측정하여 폐루프 제어에 사용하였다."
센서 분해능과 제어 방식을 함께 밝힌 문장입니다.
조금 더 깊게 보면
평행판 근사에서 정전용량은 C = εA/d이므로 간격 d에 반비례하며, 전자 회로로 이를 선형화해 출력합니다. 가드 전극을 두어 가장자리 전기장을 정리하면 측정 면적이 명확해지고 선형성이 좋아집니다. 측정 범위는 보통 수십 μm에서 수 mm 정도로 짧은 대신 분해능이 매우 높습니다. 간격 사이 매질의 유전율이 바뀌면 값이 달라지므로 먼지·기름·습기에 취약합니다.
주의할 점
레이저 변위센서는 빛의 반사 위치로, LVDT는 코일의 전자기 유도로 변위를 재는 반면, 정전용량 변위센서는 전극 사이 정전용량을 이용합니다. 측정 대상은 도체이거나 접지된 표면이어야 정확하므로 절연체에는 다른 방식을 써야 합니다.