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ACELERÓMETROS Y MICROACELERÓMETROS.
Los acelerómetros son sensores que miden la aceleración lineal a lo largo
de su eje sensible.
Tienen una gran aplicación:
- en el análisis de las vibraciones de máquinas industriales,
- en los automóviles (activación de las bolsas de aire, sistemas de
suspensión activa y control de tracción, cinturones de seguridad, alarmas
antirrobo),
- en sismografía y vulcanología, exploración petrolera, robótica, control de
calidad del transporte de mercancías, sistemas de estabilización de
imágenes para cámaras, aplicaciones de realidad virtual, iPhone, juguetes
electrónicos etc..
Los acelerómetros tienen actualmente un menor costo, tamaño más
pequeño, alta sensibilidad y consumo mínimo de potencia gracias a los
adelantos de la tecnología de sistemas micro-electro-mecánicos: MEMS
Estos transductores se fabrican junto con su circuitería electrónica en el
mismo sustrato, obteniéndose resultados más confiables y una mayor
eficiencia en su funcionamiento.
Hay varias compañías que los producen en gran volumen, p. ej. la serie de
ADXL de Analog Devices. Esta compañía es líder mundial en la fabricación
de microacelerómetros para el sector automotriz.
MICROACELERÓMETROS CAPACITIVOS
Son los más utilizados en el sector automotriz y emplean una
transducción capacitiva o sea sensan la aceleración aprovechando el
cambio en la capacitancia de un capacitor formado por su estructura:
a) Uno de sus electrodos está colocado en la masa sísmica, mientras que
el otro permanece estacionario.
b) Una aceleración provoca la variación en la distancia entre ambos
electrodos, alterando su capacitancia inicial en proporción a la aceleración
experimentada.
c) Un circuito electrónico mide esa variación de capacitancia.
Las ventajas que presentan son: baja dependencia a la temperatura, buena
respuesta en corriente directa, alta sensibilidad, baja disipación de
potencia y una estructura simple.
Su principal desventaja es ser sensibles a la interferencia
electromagnética, por lo que se necesita un empaquetado de mayor
calidad para proteger el acelerómetro y su circuito electrónico.
La fig. 1 muestra la estructura fundamental de un microacelerómetro
capacitivo de sensado vertical, en donde la masa sísmica ubicada en la
parte superior y el electrodo en la inferior forman un capacitor de placas
paralelas.
Las aceleraciones en el sentido del eje vertical flexionan los soportes de la
masa, causando un cambio en la distancia de separación entre el
electrodo y la masa móvil; esto origina un aumento o disminución en la
capacitancia inicial en función de la dirección de la aceleración aplicada.
Fig. 1. Estructura fundamental de un microacelerómetro capacitivo de
sensado vertical
Un acelerómetro capacitivo de sensado lateral es el de figura 3.
Los electrodos unidos a la masa sísmica y los electrodos unidos al anclaje
estacionario forman el capacitor.
Ante una aceleración, los soportes de la masa sísmica se flexionan, y los
espacios entre los electrodos móviles y estacionarios se incrementan en
un lado y disminuyen en el otro, con lo que cambia la capacitancia inicial.
En esta disposición hay la posibilidad de que hubiera impactos entre los
electrodos estacionarios y los móviles: cuando los espacios variables se
reduzcan a cero por grandes aceleraciones.
.
Fig. 2. Estructura básica de un microacelerómetro capacitivo de sensado lateral (o sea en el
plano del sustrato)
En los acelerómetros capacitivos de área variable cambia el área en que
se enfrentan los electrodos del capacitor.
El movimiento de la masa sísmica a paralelo a los electrodos adelantando
o atrasando uno de los electrodos respecto del otro.
Hay dos métodos básicos para la fabricación de microacelerómetros
capacitivos:
- Por micromaquinado de superficie, en el cual el sensor se fabrica sobre
el sustrato. Estos tienen un uso extendido en el sector automotriz e
industrial. Aunque la tecnología de micromaquinado de superficie es
compatible con la de los circuitos integrados (bajo costo y tamaño
pequeño), tienen el inconveniente de producir niveles muy altos de ruido
debido a su pequeña masa sísmica, tienen poca estabilidad y falta de
flexibilidad.
- Por micromaquinado de volumen, en que se graba la estructura en el
volumen del sustrato de silicio. Este proporciona un nivel bajo de ruido,
buena estabilidad y flexibilidad, pero sus desventajas son su costo más
alto, mayor tamaño y procesos de fabricación más complejos.
En la fig. 3 se muestra la imagen SEM (Scanning Electron Microscopy, por
sus siglas en inglés) de un microacelerómetro capacitivo uniaxial de
sensado lateral fabricado por Analog Devices Inc.
En la actualidad, la mayoría de las investigaciones sobre
microacelerómetros para el sector automotriz están basadas en la clase
capacitiva, ya que proporcionan alta sensibilidad, nivel bajo de ruido e
independencia de la temperatura, por lo que son muy atractivos para su
implementación como sensores en los automóviles.
Fig. 3. Imagen SEM de un microacelerómetro capacitivo uniaxial de sensado lateral fabricado por
Analog Devices Inc
Bibliografía.
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