Microacelerómetros para la industria automotriz
Agustín Leobardo Herrera May,
Ángel Roberto Cortés Pérez ,
Luz Antonio Aguilera Cortés
y Leandro García González
Los acelerómetros se definen como sensores que miden la
aceleración lineal a lo largo de su eje sensible. Estos tienen
un enorme potencial en la industria automotriz (activación
de las bolsas de aire, sistemas de suspensión activa y control de
tracción, cinturones de seguridad, alarmas antirrobo, entre otros).
Además, se emplean en sismografía, navegación, milicia, vulcanología, exploración petrolera, robótica, vigilancia de las vibraciones de máquinas industriales, control de calidad del transporte
de mercancías, sistemas de estabilización de imágenes para
cámaras, aplicaciones de realidad virtual, iPhone, juguetes electrónicos y muchos más. Con los adelantos de la tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS), los acelerómetros tienen
actualmente un menor costo, tamaño más pequeño, alta sensibilidad y consumo mínimo de potencia que los posiciona en un lugar
privilegiado para poder abarcar la mayoría de las aplicaciones antes
mencionadas.
La industria automotriz fue la primera en producir microacelerómetros en grandes volúmenes. Los procesos de fabricación
de estos sensores son compatibles con los procesos de fabricación de los circuitos integrados, lo que permite que los transductores se fabriquen junto con su circuitería electrónica en el mismo
sustrato, obteniéndose resultados más confiables y una mayor eficiencia en su funcionamiento.
Hay varias compañías que producen microacelerómetros
en gran volumen, y uno de los productos más exitosos en el mercado es la serie de ADXL de Analog Devices. Esta compañía es líder
mundial en la fabricación de microacelerómetros para el sector automotriz. En la figura 1 se ilustran algunas de
las aplicaciones de los microacelerómetros en
dicha industria.
Figura 1. Ilustración de algunas de las aplicaciones de los microacelerómetros en la industria automotriz
Los microacelerómetros más utilizados
en el sector automotriz emplean una transducción capacitiva, por lo que son llamados capacitivos. A continuación se presentan los principios
de funcionamiento, las ventajas y desventajas de
esta clase de microacelerómetros.
Microacelerómetros
capacitivos
Los microacelerómetros capacitivos sensan la
aceleración aprovechando el cambio en la capacitancia de un capacitor formado por su estructura. Uno de sus electrodos está colocado en la
masa sísmica, mientras que el otro permanece
estacionario. Una aceleración provoca una
variación en la distancia entre ambos electrodos,
alterando su capacitancia inicial en proporción a
la aceleración experimentada. Entonces, un circuito electrónico puede medir esta variación de
capacitancia.
Los microacelerómetros capacitivos
tienen varias ventajas que los hacen atractivos
para la industria automotriz. Tienen una baja
dependencia a la temperatura, poseen una buena
respuesta en corriente directa, alta sensibilidad,
baja disipación de potencia y una estructura simple. Sin embargo, 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 figura 2 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
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.
Figura 2. Ilustración de la estructura fundamental de un microacelerómetro capacitivo de sensado vertical
La estructura básica de un acelerómetro capacitivo de sensado lateral es mostrada en la figura 3. En esta, el área de coincidencia de los electrodos conectados a la masa sísmica y los electrodos
unidos al anclaje estacionario forman el capacitor. En la presencia de
una aceleración, la masa sísmica se flexiona, provocando que el
espacio entre los electrodos móviles y estacionarios se incremente en un lado y disminuya en el otro. Este fenómeno altera la capacitancia
inicial y ocasiona que esta clase de acelerómetros sean sensibles a
aceleraciones en el plano del sustrato.
Figura 3. Ilustración de la estructura básica de un microacelerómetro capacitivo de sensado lateral
Los acelerómetros capacitivos anteriores pueden tener la
posibilidad de experimentar impactos entre sus electrodos estacionarios y móviles. Debido a este inconveniente, hay acelerómetros capacitivos de área variante que cambian el área de
incidencia entre los electrodos del capacitor, adelantando o
atrasando uno de los electrodos respecto del otro.
Hay dos métodos básicos para la fabricación de
microacelerómetros capacitivos. Uno es el micromaquinado de
superficie, en el cual el sensor se fabrica sobre el sustrato y el otro
es el micromaquinado de volumen, que graba la estructura en el
volumen del sustrato de silicio. Los acelerómetros micromaquinados en superficie 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 otro lado, el micromaquinado
de volumen 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 figura 4 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.
Figura 4. Imagen SEM 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.
En conclusión, los microacelerómetros
muestran considerables ventajas respecto de los
tradicionales. Entre estas ventajas se hallan un
tamaño pequeño, bajo consumo de potencia, alta
sensibilidad y menor costo. De la diversidad de
microacelerómetros existentes en la actualidad,
los capacitivos son los más utilizados en la industria automotriz debido a su alta sensibilidad y
poca dependencia de la temperatura.
Para el lector interesado
Jiang, X, Wang, F., Kraft, M. y Boser, B. E. (2002). An integrated surface
micromachined capacitive lateral accelerometer with 2_G/rt-Hz
resolution. Tech. Dig. Solid State Sensor and Actuator Workshop,
202-205.
Kraft, M. (2000). Micromachined inertial sensors: the state of the art and a
look into future. IMC Measurement and Control, 33(6), 164-168.
Kuisma, H. (2001). Inertial sensors for automotive applications. Tech. Dig.
11th International Conference on Solid-State Sensors and
Actuators (Transducers’01), 430-433.
Marek, J. (1999). Microsystems for Automotive Applications. Proceedings
of the 13th European Conference on Solid-State Transducers
(EuroSensors, XIII), 1-8.
Yazdi, N., Ayazi, F. y Najafi, K. (1998). Micromachined inertial sensors.
Proceedings of the IEEE, 86(8), 1640-1659.
