¿Qué son los sensores inerciales?

Los sensores inerciales se utilizan para transducir la fuerza de inercia en señales eléctricas mensurables para medir la aceleración, inclinación y vibración de un objeto. La tecnología de micromecanizado ha hecho posible producir sensores inerciales MEMS (Sistema Micro Electromecánico) utilizando elementos sensores de silicio monocristalino. Estos sensores de tamaño micrométrico cumplen con todos los factores clave del diseño del sistema, como bajo costo, alto rendimiento, alta precisión y factor de forma pequeño. Basados ​​en los mismos principios que los sensores inerciales macroscópicos, los sensores inerciales MEMS pueden detectar el más mínimo cambio en la posición, orientación y aceleración de un objeto de varios metros de largo utilizando una unidad de sensor con dimensiones tan pequeñas como unos pocos micrómetros.

Existen principalmente dos tipos de sensores inerciales MEMS: acelerómetros que miden la aceleración lineal en uno o más ejes y giroscopios que miden el movimiento angular. Estos sensores se fabrican para su uso en aplicaciones específicas, ya que cada aplicación requiere sensores inerciales con diferente ancho de banda, resolución y rango dinámico. Por ejemplo, el sensor inercial utilizado en el sistema de liberación de airbag de un automóvil debe tener un ancho de banda de hasta 0,5 KHz, una resolución de alrededor de 500 mG y un rango dinámico de alrededor de +/-100G. Mientras que el sensor inercial utilizado en un instrumento de medición de microgravedad espacial puede tener un ancho de banda de 0-10 Hz, pero debe tener una resolución tan precisa como <1 µG y un rango dinámico inferior a +/- 1G.

Los sensores inerciales suelen formar parte de un sistema de control más amplio en cualquier aplicación o dispositivo. La mera información sobre la aceleración o el movimiento angular de un objeto es inútil. La información recopilada por el sensor inercial siempre se utiliza para controlar el movimiento del propio dispositivo o para activar un actuador, como abrir el airbag de un coche.

Aplicaciones de sensores inerciales
Hubo un tiempo en que construir sensores inerciales era costoso y su uso se restringía a aplicaciones militares y aeroespaciales. El desarrollo de sensores inerciales MEMS ha abierto las posibilidades y el uso de sensores inerciales en los segmentos de automoción y diversos segmentos de electrónica de consumo.

En la industria automotriz, el acelerómetro se utiliza para el control de liberación de bolsas de aire, control de tracción, control de cinturones de seguridad, suspensión activa, sistema de frenos antibloqueo (ABS) y monitoreo de vibraciones del vehículo. Mientras que el giroscopio se utiliza para protección contra vuelcos, indicadores automáticos, dirección asistida y para controlar la dinámica del vehículo.

En el segmento de consumidores, los sensores inerciales se utilizan en una variedad de aplicaciones, como la estabilización de plataformas en cámaras de video, auriculares de realidad virtual, dispositivos señaladores de computadoras, juguetes inteligentes y teclados para juegos. Todos los smartphones y tablets hoy en día cuentan con sensores inerciales para detectar la rotación de la pantalla, juegos y aplicaciones de realidad aumentada.

Los sensores inerciales también se utilizan para monitorear la posición y orientación de manipuladores robóticos y vehículos robóticos no tripulados. En aplicaciones médicas, estos sensores se utilizan para monitorear pacientes con condiciones específicas, como para monitorear pacientes con enfermedad de Parkinson. Los sensores inerciales de última generación se utilizan en aplicaciones militares y aeroespaciales, como munición inteligente, control de la dinámica de las aeronaves, detección de accidentes, sistemas de eyección de asientos de aeronaves y medición de microgravedad.

Acelerómetros
Los acelerómetros constan de un elemento sensor mecánico que puede medir la aceleración en uno o más ejes. El elemento sensor consiste en una masa de prueba fijada a una referencia mediante un sistema de suspensión mecánica. En los sensores MEMS, la masa de prueba es una masa sísmica extremadamente pequeña y el sistema de suspensión está construido con resortes de silicio.

La masa de prueba se desvía de su posición estable cada vez que el sensor experimenta alguna fuerza de inercia debido a la aceleración. La segunda ley del movimiento de Newton gobierna esto. La deflexión de la masa de prueba para la aceleración se expresa mediante una ecuación de Laplace de la siguiente manera:
x/a = 1/(s ² + b/m + mierda*k/m)
Dónde,
x es el desplazamiento de la masa de prueba,
a es aceleración,
s es el operador de Laplace,
b es el coeficiente de amortiguación,
m es la masa de la masa de prueba,
k es la constante del resorte mecánico del sistema de suspensión.

La siguiente ecuación da la frecuencia de resonancia del sensor:
_fn = √(k/m)

La siguiente ecuación proporciona el factor de calidad:
Q = √(m*k)/b

La siguiente ecuación proporciona la sensibilidad del sensor (en circuito abierto):
S = metro/k

Puedes ver, entonces, que si la sensibilidad aumenta, la frecuencia de resonancia disminuye y viceversa. Esta compensación se puede ajustar con un sistema de circuito cerrado. El coeficiente de amortiguación determina el ancho de banda máximo del acelerómetro. En los acelerómetros MEMS, el coeficiente de amortiguación suele ser variable y aumenta con el desplazamiento de la masa de prueba.

En todos los tipos de acelerómetros micromecanizados, el desplazamiento de la masa de prueba se mide mediante interfaces de medición de posición, como en una medición capacitiva, hay placas móviles unidas a la masa de prueba que se mueven a lo largo de la masa de prueba entre electrodos capacitivos fijos. Hay muchos tipos de mecanismos de detección utilizados en el diseño de acelerómetros. Algunos de los métodos de detección comunes incluyen corriente piezoresistiva, capacitiva, piezoeléctrica, óptica y de túnel.

El acelerómetro puede tener un sistema de circuito abierto o de circuito cerrado. Si las señales eléctricas de la interfaz de medición de posición se utilizan directamente como señales de salida, se denomina acelerómetro de bucle abierto. La mayoría de los sensores de acelerómetro son de circuito abierto porque son fáciles de construir. Sin embargo, los acelerómetros de bucle abierto tienen que lidiar con altas tolerancias debido a la constante de resorte variable, el coeficiente de amortiguación variable y los desplazamientos de masa no lineales.

En un acelerómetro de circuito cerrado, hay un sistema de retroalimentación que aplica una fuerza de retroalimentación a la masa de prueba proporcional a su aceleración, colocando la masa de prueba nuevamente a su posición de reposo. De esta manera, se cancelan los factores no lineales, la sensibilidad depende del control de retroalimentación y la dinámica del sensor se puede controlar con precisión mediante un controlador de señales eléctricas. La masa de prueba se puede devolver a su posición de reposo mediante accionamiento electrostático, térmico o magnético. La señal de retroalimentación que controla la intensidad de la retroalimentación puede ser analógica o digital. Todo esto añade más complejidad al diseño del sensor.

Métodos de detección de aceleración.
Hay muchas formas en que los acelerómetros detectan la aceleración en un eje específico. Algunos de los métodos de detección de aceleración se describen a continuación:

1. Acelerómetros piezoresistivos : en este tipo de acelerómetros, la masa de prueba se fija a una piezoresistor. La resistencia está conectada al circuito electrónico de lectura. Cuando hay un desplazamiento en la masa de prueba, hay un cambio en la resistencia del piezoresistor proporcional a la fuerza aplicada. Este tipo de acelerómetros son los primeros en producirse en masa. La mayor desventaja de este tipo de acelerómetros es su estabilidad térmica. La peizorresistencia puede cambiar significativamente debido al ruido térmico y puede provocar resultados falsos.
   

   Ejemplo que muestra el principio de funcionamiento de acelerómetros piezoresistivos

2. Acelerómetros capacitivos : en los acelerómetros capacitivos, los dedos sensores capacitivos están unidos a la masa de prueba y se mueven a lo largo de un eje determinado con el desplazamiento de la masa de prueba. Cada placa móvil se coloca entre dos electrodos. Cuando hay una aceleración, la masa de prueba se mueve en dirección opuesta a la dirección del movimiento y la placa variable se mueve a lo largo de la masa de prueba. El cambio en la posición de la placa variable a lo largo de un eje provoca un cambio en su distancia con las placas de electrodos fijas y provoca un cambio simétrico en la capacitancia. Luego, esto se mide como producción eléctrica mediante un sistema de lectura electrónico. Los acelerómetros capacitivos son térmicamente estables, pero son propensos a sufrir interferencias electromagnéticas, donde pueden proporcionar resultados falsos debido a la capacitancia parásita.
   

   Ejemplo que muestra el principio de funcionamiento de los acelerómetros capacitivos.

3. Acelerómetros piezoeléctricos : la mayoría de los acelerómetros macroscópicos utilizan materiales piezoeléctricos para detectar el movimiento de la masa de prueba. Muchos acelerómetros micromecanizados también utilizan el mismo principio. Estos acelerómetros tienen un gran ancho de banda, pero tienen una frecuencia de resonancia extremadamente baja debido a las corrientes de fuga. El material piezoeléctrico produce señales eléctricas proporcionales al desplazamiento de la masa de prueba en un eje determinado.
   

   Ejemplo que muestra el principio de funcionamiento de los acelerómetros piezoeléctricos.

4. Acelerómetros de túnel : estos tipos de acelerómetros utilizan corriente de túnel para medir el desplazamiento de la masa de prueba. La corriente de túnel entre una punta afilada y un electrodo cambia exponencialmente con la distancia punta-electrodo. La siguiente ecuación da la corriente de túnel:

yo = yo ₀ * exp(-ᵦ√(φz))

Dónde,
I es la corriente de túnel entre la punta y el electrodo,
EU ₀ es el dimensionamiento de la corriente dependiendo del material utilizado,
ᵦ es el factor de conversión,
φ es la altura de la barrera del túnel en eV,
y z es la distancia desde la punta del electrodo.

5. Acelerómetros resonantes : en un acelerómetro resonante, la masa de prueba está unida a un resonador. El desplazamiento de la masa de prueba cambia la deformación del resonador y, por tanto, su frecuencia de resonancia. El cambio es que la frecuencia se convierte en señales eléctricas digitales mediante un circuito contador de frecuencia. Estos acelerómetros son bastante inmunes al ruido y muy fiables, ya que los cambios de frecuencia se pueden convertir directamente al formato digital.
   

   Ejemplo que muestra el principio de funcionamiento de acelerómetros resonantes.

6. Acelerómetros ópticos : estos acelerómetros utilizan fibras ópticas y guías de ondas acopladas a la masa de prueba. Sin embargo, los acelerómetros de tipo fibra óptica no son adecuados para la fabricación por lotes, ya que la fibra debe instalarse manualmente cerca de la masa de prueba en el conjunto del sensor. Otro tipo de acelerómetros ópticos utiliza fotodetectores LED y PIN para medir el desplazamiento de la masa de prueba. Los acelerómetros ópticos tienen la ventaja de estar libres de interferencias electrostáticas y electromagnéticas. Pero debido a que generalmente implican circuitos de lectura y ensamblaje complejos, no son muy populares.
   

   Ejemplo que muestra el principio de funcionamiento de los acelerómetros ópticos.

giroscopios

Un giroscopio mide la rotación de un objeto. Los giroscopios MEMS utilizan el principio de la fuerza de Coriolis. Cuando una masa se mueve en un sistema giratorio, experimenta una fuerza perpendicular al eje de rotación y a la dirección del movimiento. Esto se llama fuerza de Coriolis. Un giroscopio MEMS consta de una estructura mecánica que resuena debido a la fuerza de Coriolis y excita una oscilación secundaria en la misma o en una estructura secundaria. La oscilación secundaria es proporcional a la rotación de la estructura sobre un eje determinado. La fuerza de Coriolis tiene una amplitud relativamente pequeña en comparación con su fuerza impulsora. Es por eso que todos los giroscopios MEMS utilizan una estructura vibratoria que utiliza el fenómeno de la fuerza de Coriolis.

La estructura vibratoria consta de una masa de prueba que está conectada a una estructura interna mediante un par de resortes. El marco interior está conectado a un marco exterior mediante otro conjunto de resortes ortogonales. Hay dedos sensores capacitivos entre el marco interior y el marco exterior fijados a lo largo de los resortes ortogonales. La fuerza de Coriolis es proporcional tanto a la velocidad angular del objeto en rotación como a la velocidad del objeto hacia o alejándose del eje de rotación. La masa de prueba se acciona continuamente de forma sinusoidal a lo largo de los resortes internos. Cuando el sistema experimenta rotación, la masa de la sonda resonante experimenta la fuerza de Coriolis a lo largo de los resortes ortogonales fijados entre la estructura interior y exterior. Esto cambia la distancia entre los dedos sensores capacitivos y, por lo tanto, se emite una señal eléctrica proporcional a la fuerza de Coriolis. Como la fuerza de Coriolis es proporcional a la velocidad angular, la señal eléctrica debida a ella también es proporcional a la velocidad angular del sistema.