Nuevo giroscopio iMEMS® con detección de velocidad angular | Analog Devices

Introducción

Los nuevos giroscopios ADXRS150 y ADXRS300 de Analog Devices, con rangos de escala completa de 150°/s y 300°/s, representan un salto cualitativo en la tecnología de giroscopios. Son los primeros sensores de velocidad angular micromecanizados de montaje superficial con electrónica integrada, y son más pequeños -con menor consumo de energía y mejor inmunidad a los golpes y las vibraciones- que cualquier giroscopio con una funcionalidad comparable. Este verdadero avance sólo es posible gracias a la tecnología patentada de Analog Devices sistema micromecánico integrado (iMEMS), que ha sido probado en millones de acelerómetros de automóviles.

Descripción del producto

Los giroscopios se utilizan para medir velocidad angular-la velocidad a la que gira un objeto. La rotación suele medirse en relación con uno de los tres ejes: guiñada, cabeceo o balanceo.

La figura 1 muestra un diagrama que representa cada eje de sensibilidad en relación con una carcasa montada sobre una superficie plana. Un giroscopio con un eje de sensibilidad también puede utilizarse para medir otros ejes, montando el giroscopio de forma diferente, como se muestra en el diagrama de la derecha. En este caso, un giroscopio con eje de guiñada, como el ADXRS150 o el ADXRS300, se monta de lado para que el eje de guiñada se convierta en el eje de balanceo.

Figura 1. Ejes de sensibilidad rotacional de los giroscopios. Según la ubicación normal de un giroscopio, su eje principal de sensibilidad puede ser uno de los tres ejes de movimiento: guiñada, cabeceo o balanceo. Los ADXRS150 y ADXRS300 son giroscopios de eje de guiñada, pero pueden medir la rotación sobre otros ejes con una orientación de montaje adecuada. Por ejemplo, a la derecha: un dispositivo de eje de guiñada se coloca para medir el balanceo.

Como ejemplo del uso de un giroscopio, un giroscopio de eje de guiñada montado en una plataforma giratoria que gira a 33 1/3 rpm (revoluciones por minuto) mediría una rotación constante de 360° por 33 1/3 rpm dividida por 60 segundos, o sea 200°/s. El giroscopio emitiría una tensión proporcional a la velocidad angular, determinada por su sensibilidad, medida en milivoltios por grado y por segundo (mV/°/s). La tensión de fondo de escala determina la cantidad de velocidad angular que puede medirse, por lo que, en el ejemplo de la plataforma giratoria, un giroscopio debe tener una tensión de fondo de escala correspondiente a 200°/s como mínimo. El fondo de escala está limitado por la oscilación de tensión disponible dividida por la sensibilidad. El ADXRS300, por ejemplo, con una escala completa de 1,5 V y una sensibilidad de 5 mV/°/s, maneja una escala completa de 300°/s. El ADXRS150 tiene una escala completa más limitada de 150°/s, pero una mayor sensibilidad de 12,5 mV/°/s.

Una aplicación práctica es medir la velocidad a la que gira un coche montando un giroscopio en el interior del vehículo; si el giroscopio detecta que el coche está girando, se activa el frenado diferencial para volver a controlarlo. La velocidad angular también puede integrarse en el tiempo para determinar la posición angular, lo que resulta especialmente útil para mantener la continuidad de la navegación GPS cuando se pierde la señal del satélite durante periodos cortos.

Aceleración de Coriolis

Los giroscopios ADXRS de Analog Devices miden la velocidad angular mediante la aceleración de Coriolis. El efecto Coriolis puede explicarse de la siguiente manera, empezando por la figura 2. Considera que estás de pie sobre una plataforma giratoria cerca del centro. Tu velocidad respecto al suelo está representada por las longitudes de la flecha azul en la Figura 2. Si te desplazas a un punto cercano al borde exterior de la plataforma, tu velocidad respecto al suelo aumentará, como indica la flecha azul más larga. La tasa de aumento de tu velocidad tangencial, causada por tu velocidad radial, es la siguiente Aceleración de Coriolis (por Gaspard G. de Coriolis, 1792-1843, matemático francés).

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Si Ω es la velocidad angular y r el radio, la velocidad tangencial es Ωr. Por tanto, si r cambia de velocidad, v, habrá una aceleración tangencial Ωv. Esto es la mitad de la aceleración de Coriolis. Hay otra mitad procedente del cambio de dirección de la velocidad radial, lo que da un total de 2Ωv (ver Apéndice). Si tienes una masa, Mla plataforma debe aplicar una fuerza, 2MΩvpara provocar esta aceleración, y la masa experimenta una fuerza de reacción correspondiente.

Figura 2
Figura 2: Ejemplo de aceleración de Coriolis. Una persona que se desplaza hacia el norte, hacia el borde exterior de una plataforma giratoria, debe aumentar la componente oeste de la velocidad (flechas azules) para mantener la trayectoria hacia el norte. La aceleración necesaria es Aceleración de Coriolis.

Los giroscopios ADXRS aprovechan este efecto utilizando una masa resonante análoga a la persona que sale y entra en una plataforma giratoria. La masa está micromecanizada a partir de polisilicio y está unida a un marco de polisilicio para que sólo pueda resonar en una dirección.

Figura 3
La figura 3 muestra que cuando la masa resonante se desplaza hacia el borde exterior de la rotación, se acelera hacia la derecha y ejerce una fuerza de reacción sobre el armazón hacia la izquierda. Cuando se mueve hacia el centro de la rotación, ejerce una fuerza hacia la derecha, como indican las flechas naranjas.

Para medir la aceleración de Coriolis, el armazón que contiene la masa resonante se sujeta al sustrato mediante muelles a 90° del movimiento resonante, como se muestra en la figura 4. Esta figura también muestra los dedos sensores de Coriolis que se utilizan para detectar capacitivamente el desplazamiento del armazón en respuesta a la fuerza ejercida por la masa, como se describe más adelante. Si los muelles tienen rigidez, Kentonces el desplazamiento resultante de la fuerza de reacción será de 2 ΩvM/K.

Figura 4
Figura 4: Esquema de la estructura mecánica del giroscopio.

En la figura 5, que muestra la estructura completa, se observa que, al moverse la masa resonante y girar la superficie sobre la que está montado el giroscopio, la masa y su armazón experimentan la aceleración de Coriolis y se desplazan 90° respecto al movimiento vibratorio. A medida que aumenta la velocidad de rotación, también cambia el desplazamiento de la masa y la señal derivada de la capacitancia correspondiente.

Hay que tener en cuenta que el giroscopio puede colocarse en cualquier lugar del objeto en rotación y en cualquier ángulo, siempre que su eje de detección sea paralelo al eje de rotación. La explicación anterior pretende dar un sentido intuitivo de la función y se ha simplificado por la colocación del giroscopio.

Detección capacitiva

Los giroscopios ADXRS miden el desplazamiento de la masa resonante y su armazón debido al efecto Coriolis a través de elementos sensores capacitivos fijados al resonador, como se muestra en las figuras 4, 5 y 6. Estos elementos son haces de silicio interdigitados con dos conjuntos de haces de silicio estacionarios unidos al sustrato, formando así dos condensadores nominalmente iguales. El desplazamiento debido a la velocidad angular induce una capacitancia diferencial en este sistema. Si la capacitancia total es C y la separación entre haces es g, la capacitancia diferencial es 2 ΩvMC/gKy es directamente proporcional a la velocidad angular. La fidelidad de esta relación es excelente en la práctica, con una no linealidad inferior al 0,1%.

La electrónica del giroscopio ADXRS puede resolver cambios de capacidad tan pequeños como 12 × 10-21 faradios (12 zeptofaradios) a partir de desviaciones del haz tan pequeñas como 0,00016 Angstroms (16 femtómetros). La única forma de utilizarlo en un dispositivo práctico es colocar la electrónica, incluidos los amplificadores y los filtros, en la misma matriz que el sensor mecánico. La señal diferencial se alterna en la frecuencia del resonador y puede extraerse del ruido por correlación.

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Figura 5
Figura 5. El armazón y la masa resonante se desplazan lateralmente en respuesta al efecto Coriolis. El desplazamiento se determina a partir del cambio de capacitancia entre los dedos sensores de Coriolis del bastidor y los fijados al sustrato.

Estos desplazamientos subatómicos son significativos ya que el media las posiciones de las superficies de los haces, aunque los átomos individuales de la superficie se mueven aleatoriamente mucho más. Hay unos 1012 en la superficie del condensador, de modo que la media estadística de sus movimientos individuales reduce la incertidumbre en un factor de 106. Entonces, ¿por qué no podemos hacerlo 100 veces mejor? La respuesta es que el impacto de la moléculas de aire mueve la estructura – ¡aunque, por término medio, su efecto es mucho mayor! Entonces, ¿por qué no eliminar el aire? El dispositivo no funciona en el vacío porque es una película muy fina, que sólo pesa 4 microgramos; sus flexiones, de sólo 1,7 micras de ancho, están suspendidas sobre el sustrato de silicio. El aire amortigua la estructura, impidiendo que se destruya por golpes violentos.incluso los experimentados cuando se dispara un proyectil guiado por un obús (como se ha demostrado recientemente).

Figura 6
Figura 6. Fotografía del sensor mecánico. Los giroscopios ADXRS incorporan dos estructuras que permiten la detección diferencial para rechazar los golpes y las vibraciones del entorno.

Características

La integración de la electrónica y los elementos mecánicos es una característica clave de productos como el ADXRS150 y el ADXRS300, ya que permite reducir el tamaño y el coste para un determinado nivel de rendimiento. La figura 7 es una fotografía de la matriz ADXRS.

Figura 7
Figura 7. Fotografía del conjunto giroscópico ADXRS, que muestra la integración del sensor mecánico de velocidad y la electrónica de acondicionamiento de la señal.

El ADXRS150 y el ADXRS300 están alojados en una caja estándar de la industria que simplifica el desarrollo y la producción de los productos del usuario. El encapsulado cerámico -una matriz de rejilla de bolas (BGA) de 32 pines- tiene 7 mm de ancho, 7 mm de profundidad y 3 mm de alto. Es al menos 100 veces más pequeño que cualquier otro giroscopio con prestaciones similares. Además de su pequeño tamaño, estos giroscopios consumen 30 mW, mucha menos energía que otros giroscopios similares. La combinación de pequeño tamaño y bajo consumo de energía hace que estos productos sean ideales para aplicaciones de consumo, como robots de juguete, patinetes y dispositivos de navegación.

Inmunidad a los golpes y a las vibraciones

Una de las preocupaciones más importantes para el usuario de un giroscopio es la capacidad del dispositivo para proporcionar de forma fiable una señal de salida de velocidad angular precisa, incluso en presencia de golpes y vibraciones ambientales. Un ejemplo de esta aplicación es la detección de vuelcos en automóviles, en la que se utiliza un giroscopio para detectar si o no un coche (o un todoterreno) vuelca. Algunos vuelcos se desencadenan por un impacto con otro objeto, como un bordillo, que hace que el vehículo se golpee. Si el impacto satura el sensor del giroscopio y éste no puede filtrarlo, los airbags pueden no desplegarse. Del mismo modo, si un bache en la carretera provoca un impacto o una vibración que da lugar a una señal de giro, los airbags pueden desplegarse cuando no son necesarios, ¡un riesgo considerable para la seguridad!

Como se puede ver en las figuras 6 y 7, los giroscopios ADXRS utilizan un nuevo enfoque de detección de la velocidad angular que puede rechazar choques de hasta 1000g. Utilizan dos resonadores para detectar diferencialmente las señales y rechazar las aceleraciones externas de modo común que no están relacionadas con el movimiento angular. Este enfoque es, en parte, la razón de la excelente inmunidad de los giroscopios ADXRS a los golpes y las vibraciones. Los dos resonadores de la figura 6 son mecánicamente independientes y funcionan en fase opuesta. Por lo tanto, miden la misma magnitud de rotación, pero dan salidas en direcciones opuestas. Por tanto, la diferencia entre las dos señales de los sensores se utiliza para medir la velocidad angular. Esto anula las señales no rotativas que afectan a ambos sensores. Las señales se combinan en el cableado interno antes de los preamplificadores de alta sensibilidad. De este modo, se evita en gran medida que las sobrecargas de aceleración extremas lleguen a la electrónica, lo que permite que el acondicionamiento de la señal preserve la salida de la velocidad angular durante los grandes choques. Este sistema requiere que los dos transductores estén bien emparejados y sean copias exactas el uno del otro.

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Resumen

Analog Devices ha utilizado su proceso iMEMS para lograr un gran avance con el desarrollo del primer sensor de velocidad angular totalmente integrado del mundo. La integración supone una revolución en términos de fiabilidad, tamaño y precio. El resultado es un giroscopio adecuado para una gama de aplicaciones mucho más amplia de lo que antes se creía posible o asequible. El bajo consumo de energía y el pequeño tamaño del dispositivo beneficiarán a los productos industriales y de consumo que funcionan con pilas, como juguetes, patinetes e instrumentos portátiles. La tremenda inmunidad a los golpes y las vibraciones beneficia a la automoción y a otras aplicaciones sometidas a duras condiciones ambientales.

En el futuro, es posible explotar el proceso iMEMS y las técnicas de diseño de giroscopios para lograr niveles de integración aún mayores. Al igual que Analog Devices ha desarrollado acelerómetros de dos ejes, será posible fabricar giroscopios de varios ejes. Incluso será posible integrar acelerómetros y giroscopios en un solo chip. La unidad de medición inercial resultante permitirá estabilizar y navegar de forma autónoma incluso a los vehículos más pequeños.

Anexo

Movimiento en 2 dimensiones

Considera la coordenada de posición, z = rείθen el plano complejo. Diferenciación con respecto al tiempo, tla velocidad es

Ecuación 1

los dos términos son las respectivas componentes radial y tangencial, esta última procedente de la velocidad angular. Diferenciando de nuevo, la aceleración es

Ecuación 2

El primer término es la aceleración lineal radial y el cuarto término es la componente tangencial resultante de la aceleración angular. El último término es la conocida aceleración centrípeta necesaria para limitar r. El segundo y tercer término son tangenciales y son los componentes de la aceleración de Coriolis. Son iguales, resultan respectivamente del cambio de dirección de la velocidad radial y del cambio de magnitud de la velocidad tangencial. Si la velocidad angular y las velocidades radiales son constantes,

Ecuación 3

entonces

Ecuación 4

donde la componente angular, iείθ, indica una dirección tangencial en la dirección de u positiva para la aceleración de Coriolis, 2Ωv, y -είθ indica hacia el centro (es decir centrípeta) para la Ω2r componente.

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