O que são sensores inerciais?

Sensores inerciais são usados ​​para transduzir a força inercial em sinais elétricos mensuráveis ​​para medir aceleração, inclinação e vibração de um objeto. A tecnologia de microusinagem tornou possível a produção de sensores inerciais MEMS (Sistema Micro Eletromecânico) usando elementos sensores de silício de cristal único. Esses sensores de tamanho micrométrico atendem a todos os principais drivers de projeto de sistema, como baixo custo, alto desempenho, alta precisão e fator de forma pequeno. Com base nos mesmos princípios dos sensores inerciais macroscópicos, os sensores inerciais MEMS podem detectar a menor mudança na posição, orientação e aceleração de um objeto com vários metros de comprimento usando uma unidade de sensor de dimensões tão pequenas quanto alguns micrômetros.

Existem principalmente dois tipos de sensores inerciais MEMS – acelerômetros que medem a aceleração linear em um ou mais eixos e giroscópios que medem o movimento angular. Esses sensores são fabricados para uso em aplicações específicas, pois cada aplicação requer sensores inerciais com largura de banda, resolução e faixa dinâmica diferentes. Por exemplo, o sensor inercial utilizado no sistema de liberação de airbag automotivo deve ter largura de banda de até 0,5 KHz, resolução em torno de 500 mG e faixa dinâmica em torno de +/-100G. Enquanto o sensor inercial usado em um instrumento de medição de microgravidade espacial pode ter uma largura de banda de 0-10 Hz, mas deve ter uma resolução tão precisa quanto <1 µG e faixa dinâmica inferior a +/- 1G.

Os sensores inerciais geralmente fazem parte de um sistema de controle maior em qualquer aplicação ou dispositivo. Meras informações de aceleração ou movimento angular de um objeto são inúteis. As informações coletadas do sensor inercial são sempre utilizadas para controlar o movimento do próprio dispositivo ou para acionar um atuador, como abrir o airbag de um carro.

Aplicações de sensores inerciais
Houve um tempo em que construir sensores inerciais era caro e seu uso era restrito a aplicações militares e aeroespaciais. O desenvolvimento de sensores inerciais MEMS abriu as possibilidades e o uso de sensores inerciais nos segmentos automotivo e de diversos segmentos de eletrônicos de consumo.

Na indústria automotiva, o acelerômetro é utilizado para controle de liberação de airbag, controle de tração, controle de cinto de segurança, suspensão ativa, sistema de freio antibloqueio (ABS) e monitoramento de vibrações do veículo. Enquanto o giroscópio é usado para proteção contra capotamento, indicadores automáticos, direção hidráulica e para controlar a dinâmica do veículo.

No segmento de consumo, os sensores inerciais são usados ​​em diversas aplicações, como estabilização de plataforma em câmeras de vídeo, headsets de realidade virtual, dispositivos apontadores para computadores, brinquedos inteligentes e teclados para jogos. Todos os smartphones e tablets hoje em dia possuem sensores inerciais para detectar rotação de tela, jogos e aplicativos de realidade aumentada.

Os sensores inerciais também são usados ​​para monitorar a posição e orientação de manipuladores robóticos e veículos robóticos não tripulados. Em aplicações médicas, esses sensores são usados ​​para monitorar pacientes com condições específicas, como para monitorar pacientes com doença de Parkinson. Sensores inerciais de última geração são usados ​​em aplicações militares e aeroespaciais, como munição inteligente, controle de dinâmica de aeronaves, detecção de acidentes, sistema de ejeção de assentos em aeronaves e medição de microgravidade.

Acelerômetros
Os acelerômetros consistem em um elemento sensor mecânico que pode medir a aceleração em um ou mais eixos. O elemento sensor consiste em uma massa de prova fixada a um referencial por um sistema de suspensão mecânica. Nos sensores MEMS, a massa de prova é uma massa sísmica extremamente pequena e o sistema de suspensão é construído a partir de molas de silício.

Micrografia de vista superior de um quadrante do acelerômetro

A massa de prova desvia de sua posição estável sempre que o sensor experimenta alguma força inercial devido à aceleração. A segunda lei do movimento de Newton governa isso. A deflexão da massa de prova para a aceleração é expressa por uma equação de Laplace como segue:
x/uma = 1/(s² + b/m + merda*k/m)
Onde,
x é o deslocamento da massa de prova,
a é aceleração,
s é o operador Laplace,
b é o coeficiente de amortecimento,
m é a massa da massa de prova,
k é a constante mecânica da mola do sistema de suspensão.

A equação a seguir fornece a frequência de ressonância do sensor:
f_n = √(k/m)

A seguinte equação fornece o fator de qualidade:
Q = √(m*k)/b

A equação a seguir fornece a sensibilidade do sensor (em malha aberta):
S = m/k

Você pode ver, então, que se a sensibilidade aumentar, a frequência de ressonância diminui e vice-versa. Esta compensação pode ser ajustada com um sistema de circuito fechado. O coeficiente de amortecimento determina a largura de banda máxima do acelerômetro. Nos acelerômetros MEMS, o coeficiente de amortecimento é frequentemente variável e aumenta com o deslocamento da massa de prova.

Em todos os tipos de acelerômetros microusinados, o deslocamento da massa de prova é medido por interfaces de medição de posição, como em uma medição capacitiva, existem placas móveis fixadas à massa de prova que se movem ao longo da massa de prova entre eletrodos capacitivos fixos. Existem muitos tipos de mecanismos de detecção usados ​​no projeto de acelerômetros. Alguns dos métodos de detecção comuns incluem corrente piezoresistiva, capacitiva, piezoelétrica, óptica e de tunelamento.

O acelerômetro pode ter sistema de malha aberta ou malha fechada. Se os sinais elétricos da interface de medição de posição forem usados ​​diretamente como sinais de saída, isso é chamado de acelerômetro de malha aberta. A maioria dos sensores do acelerômetro são de circuito aberto, pois são fáceis de construir. No entanto, os acelerômetros de malha aberta precisam lidar com altas tolerâncias devido à constante variável da mola, ao coeficiente de amortecimento variável e aos deslocamentos de massa não lineares.

Em um acelerômetro de malha fechada, existe um sistema de feedback que aplica uma força de feedback à massa de prova proporcional à sua aceleração, colocando a massa de prova de volta à sua posição de repouso. Desta forma, os fatores não lineares são cancelados, a sensibilidade fica dependente do controle de feedback e a dinâmica do sensor pode ser controlada com precisão usando um controlador de sinal elétrico. A massa de prova pode ser colocada de volta à sua posição de repouso usando atuação eletrostática, térmica ou magnética. O sinal de feedback que controla a força de feedback pode ser analógico ou digital. Tudo isso adiciona mais complexidade ao design do sensor.

Métodos de detecção de aceleração
Existem muitas maneiras pelas quais os acelerômetros detectam a aceleração em um eixo específico. Alguns dos métodos de detecção de aceleração são descritos abaixo:

1. Acelerômetros Piezoresistivos – Neste tipo de acelerômetros, a massa de prova é fixada em um piezoresistor. O resistor está conectado ao circuito eletrônico de leitura. Quando há deslocamento na massa de prova, ocorre uma alteração na resistência do piezoresistor proporcional à força aplicada. Esses tipos de acelerômetros são os primeiros a ver a produção em massa. A maior desvantagem deste tipo de acelerômetros é a sua estabilidade térmica. A peizoresistência pode mudar significativamente devido ao ruído térmico e pode levar a saídas falsas.
   

   Exemplo mostrando o princípio de funcionamento de acelerômetros piezoresistivos

2. Acelerômetros capacitivos – Em acelerômetros capacitivos, dedos sensores capacitivos são fixados à massa de prova que se movem ao longo de um determinado eixo com o deslocamento da massa de prova. Cada placa móvel é colocada entre dois eletrodos. Quando há uma aceleração, a massa de prova se desloca na direção oposta à direção do movimento e a placa variável se move ao longo da massa de prova. A mudança na posição da placa variável ao longo de um eixo causa mudança em sua distância com placas de eletrodos fixos e causa mudança simétrica na capacitância. Isso é então medido como saída elétrica por um sistema eletrônico de leitura. Os acelerômetros capacitivos são termicamente estáveis, mas são propensos a interferências eletromagnéticas, onde podem fornecer saídas falsas devido à capacitância parasita.
   

   Exemplo mostrando o princípio de funcionamento de acelerômetros capacitivos

3. Acelerômetros Piezoelétricos – A maioria dos acelerômetros macroscópicos utiliza materiais piezoelétricos para detectar movimento da massa de prova. Muitos acelerômetros microusinados também usam o mesmo princípio. Esses acelerômetros possuem grande largura de banda, mas possuem frequência de ressonância extremamente baixa devido às correntes de fuga. O material piezoelétrico produz sinais elétricos proporcionais ao deslocamento da massa de prova em um determinado eixo.
   

   Exemplo mostrando o princípio de funcionamento de acelerômetros piezoelétricos

4. Acelerômetros de tunelamento – Esses tipos de acelerômetros utilizam corrente de tunelamento para medir o deslocamento da massa de prova. A corrente de tunelamento entre uma ponta afiada e um eletrodo muda exponencialmente com a distância ponta-eletrodo. A seguinte equação fornece a corrente de tunelamento:

eu = eu₀ * exp(-ᵦ√(φz))

Exemplo mostrando o princípio de funcionamento de acelerômetros de tunelamento

Onde,
I é a corrente de tunelamento entre a ponta e o eletrodo,
EU₀ está dimensionando a corrente dependendo do material usado,
ᵦ é o fator de conversão,
φ é a altura da barreira do túnel em eV,
e z é a distância da ponta do eletrodo.

5. Acelerômetros Ressonantes – Em um acelerômetro ressonante, a massa de prova é anexada a um ressonador. O deslocamento da massa de prova altera a deformação do ressonador e, portanto, sua frequência de ressonância. A mudança é que a frequência é convertida em sinais elétricos digitais usando um circuito contador de frequência. Esses acelerômetros são bastante imunes a ruídos e altamente confiáveis, pois as alterações de frequência podem ser convertidas diretamente para o formato digital.
   

   Exemplo mostrando o princípio de funcionamento de acelerômetros ressonantes

6. Acelerômetros ópticos – Esses acelerômetros utilizam fibras ópticas e guias de onda acoplados à massa de prova. No entanto, os acelerômetros do tipo fibra óptica não são adequados para fabricação em lote, pois a fibra precisa ser instalada manualmente perto da massa de prova no conjunto do sensor. Outro tipo de acelerômetros ópticos usa fotodetectores LED e PIN para medir o deslocamento da massa de prova. Os acelerômetros ópticos têm a vantagem de serem livres de interferências eletrostáticas e eletromagnéticas. Mas, como geralmente envolvem uma montagem complexa e circuitos de leitura, eles não são muito populares.
   

   Exemplo mostrando o princípio de funcionamento de acelerômetros ópticos

Giroscópios

Um giroscópio mede a rotação de um objeto. Os giroscópios MEMS utilizam o princípio da força de Coriolis. Quando uma massa se move em um sistema rotativo, ela experimenta uma força perpendicular ao eixo de rotação e à direção do movimento. Isso é chamado de força de Coriolis. Um giroscópio MEMS consiste em uma estrutura mecânica que entra em ressonância devido à força de Coriolis e excita oscilação secundária na mesma ou em uma estrutura secundária. A oscilação secundária é proporcional à rotação da estrutura em um determinado eixo. A força de Coriolis tem amplitude relativamente pequena em comparação com sua força motriz. É por isso que todos os giroscópios MEMS utilizam uma estrutura vibratória que utiliza o fenômeno da força de Coriolis.

Exemplo mostrando o princípio de funcionamento do giroscópio MEMS

A estrutura vibratória consiste em uma massa de prova que é conectada a uma estrutura interna por um par de molas. A estrutura interna é conectada a uma estrutura externa por outro conjunto de molas ortogonais. Existem dedos sensores capacitivos entre a estrutura interna e a estrutura externa fixadas ao longo das molas ortogonais. A força de Coriolis é proporcional tanto à velocidade angular do objeto em rotação quanto à velocidade do objeto em direção ou afastamento do eixo de rotação. A massa de prova é continuamente acionada de forma senoidal ao longo das molas internas. Quando o sistema experimenta rotação, a massa de prova ressonante experimenta a força de Coriolis ao longo das molas ortogonais fixadas entre a estrutura interna e externa. Isso altera a distância entre os dedos sensores capacitivos e, assim, um sinal elétrico proporcional à força de Coriolis é emitido. Como a força de Coriolis é proporcional à velocidade angular, o sinal elétrico devido a ela também é proporcional à velocidade angular do sistema.