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Diseño de un acelerómetro basado en tecnología MEMS (I)
Antonio Luque Estepa
Dpto. Ingeniería Electrónica
Prácticas de Microsistemas
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Más información
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Introducción
• Diseño de un acelerómetro capacitivo
• Proceso de diseño completo:– Cálculo de dimensiones y parámetros
– Simulación del comportamiento– Proceso de fabricación– Dibujo de máscaras– Presupuesto de fabricación
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Funcionamiento general
• La aceleración provoca un movimiento en el sensor
• El movimiento provoca un cambio en la capacidad de dos condensadores
• El circuito hace que cambie la tensión de salida
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Funcionamiento general
• La aceleración provoca un movimiento en el sensor
• El movimiento provoca un cambio en la capacidad de dos condensadores
• El circuito hace que cambie la tensión de salida
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Más información
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Modelo del acelerómetro
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Modelo matemático
Aceleración del marco de referencia (sistema no inercial) equivale a una fuerza sobre la masa en el marco fijo
donde a es la aceleración que se desea medir
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Función de transferencia
Nos interesa el funcionamiento cuasi-estático (s=0)
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Función de transferencia
Frecuencia natural
Factor de calidad
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Función de transferencia
Frecuencia natural
Factor de calidad
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Función de transferencia
Frecuencia natural
Factor de calidad
Ejemplo
Un acelerómetro de 50gy ω
0=24.7kHz
tendría un desplazamientode la masa de 20nm
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Ruido intrínsecoRuido debido a la amortiguación browniana, en una banda de 1Hz
Aceleración producida por el ruido, en valor rms
Otras fuentes de ruido:
- Amplificación electrónica- Estructuras adicionales- Fallos de calibración- Drift
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Sensores capacitivos
Vamos a medir el desplazamiento mediante un cambio en la capacidad.
Tengamos dos electrodos fijos y uno móvil:
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Medida de la capacidad
Amplificador de transimpedancia
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Medida de la capacidadRealimentación capacitiva
Capacidades conmutadas
Seguidor de tensión
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Estructura del acelerómetroCombinación de varios sensores capacitivos.Estructura en “peine”
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Deformación de una viga
Con E módulo de Young (propiedad del material), W ancho, H espesor, y L longitud total.
Viga apoyada en los extremos, con fuerza aplicada en el centro
¡OJO! En el acelerómetro hay dos vigas que sostienen a la masa (con efecto sobre la k total)
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Modelo completo
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Modelo completo
Eje X
Eje Y
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Modelo completo
Eje Z
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Modelo completo
Mecánica
Adaptación de señal
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Más información
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EspecificacionesSensibilidad
Fondo de escala (rango). Limitado por el margen de movimiento de los electrodos y por la rotura de las vigas
Ancho de banda
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Tamaño
Acelerómetro(max 500x500um)
Electrónica(400x600 um)
Pads (1mm)
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Criterios de diseño
• Optimización– Económica
– En espacio– De las características
• Cualquier decisión de diseño debe justificarse
• Siempre cumpliendo las especificaciones mínimas
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
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Documentación a entregar• Breve memoria del proceso de diseño
• Proceso de fabricación, con el formato especificado
• Dibujos de las máscaras, con marcas de alineación (marcas de referencia)
• Presupuestos para 1, 1000 y 1000000 uds.
• Hoja de características: dimensiones, sensibilidad, rango, frecuencia de resonancia y ancho de banda.
• Diagrama de Bode del acelerómetro, obtenido a partir del modelo Simulink
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Datos disponibles
• Lista de materiales que se pueden usar
• Propiedades de los materiales: densidad, módulo de Young, resistividad, tensión de rotura
• (Lista de procesos, con costes)
• (Tasas de grabado)
• No todos los datos y procesos son necesarios
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Datos disponibles
• Modelos Simulink de acelerómetros comerciales ADXL202, ADXL203, ADXL311 y ADXL320
• Disponibles en www.analog.com y en la web de la asignatura
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Más información
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Acelerómetros existentes
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Acelerómetros existentes
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Acelerómetros existentes
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Acelerómetros existentes
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Acelerómetros existentes
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Continuación
• Práctica 2– 13 marzo, 9:30 y 11:30, aula 009– 14 marzo 17:00 y 19:00, aula 103– 15 marzo 11:30, aula 009
• Enunciado y presentación en http://www.gte.us.es/ASIGN/SEA
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Más información
• Profesor de prácticas: Antonio Luque Estepa [email protected]
• Ubicación del despacho: L2-P1-S62
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Bibliografía
• Marc J. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, 1997
• N. Yazdi et al., “Micromachined inertial sensors”, Proc. IEEE, vol. 86, pp. 1640-1659, 1998
• Stephen D. Senturia, Microsystem design, Kluwer Academic, 2001