MEMS

Jul 08, 2023

Los interruptores eléctricos de todo tipo activan circuitos, envían información e inician acciones. Un interruptor de inercia es uno que se activa para activarse en un umbral de aceleración específico. No se consume energía hasta que el interruptor se 'despierta' por el evento relevante, lo que lo hace ideal para aplicaciones remotas y de potencia ultrabaja (ULP).

Los procesos de fabricación de sensores miniaturizados permiten diseñar un interruptor activado por un nivel específico de fuerza de inercia. Utilizando sistemas microelectromecánicos (MEMS), se pueden diseñar interruptores de aceleración en miniatura para cerrar un circuito basándose únicamente en un nivel preestablecido de fuerza experimentada por el dispositivo. Típicamente conocido como interruptor inercial o G, utiliza una masa de prueba suspendida en un resorte, que actúa como un electrodo móvil. El punto de contacto es un electrodo estacionario. Cuando se ejerce una fuerza de inercia sobre el dispositivo, la masa de prueba se mueve hacia el electrodo estacionario. Si la magnitud y la duración de la fuerza son suficientes, el electrodo móvil tocará el electrodo estacionario, cerrando momentáneamente el circuito. El circuito será entonces reabierto por el resorte (k) (Ver Fig. 2).

Hay numerosos interruptores de inercia en uso hoy en día en una amplia gama de aplicaciones, y se pueden utilizar muchas técnicas diferentes para realizar una configuración de electrodos según las características de rendimiento deseadas y los niveles de umbral de activación. Los parámetros clave de un interruptor de inercia incluyen el tiempo de respuesta, el tiempo de contacto y la capacidad de supervivencia ante impactos. El tiempo de respuesta es el tiempo de retardo desde el momento en que se inicia el evento de inercia hasta que el electrodo móvil toca inicialmente el electrodo estacionario. El tiempo de contacto es el tiempo que los dos electrodos mantienen contacto. La supervivencia al impacto es una medida del nivel máximo de impacto que el dispositivo puede soportar. Cada una de estas características se puede controlar en función de la topografía del dispositivo, cómo se diseña la configuración del electrodo de masa elástica y los materiales seleccionados.

El diseño del interruptor está determinado por las necesidades de la aplicación; por ejemplo, un interruptor de bolsa de aire requiere un tiempo de respuesta inmediato. Por otro lado, la duración del tiempo de contacto puede ser la variable crucial para determinar que ocurrió un evento de inercia real en lugar de un ruido irrelevante. Esto es especialmente importante en condiciones de baja fuerza g.

Dado que la acción básica del interruptor es un cierre momentáneo, el circuito se apaga tan pronto como el resorte retrae la masa de prueba. Las funciones activadas dependerán del resto del diseño del circuito y del resultado deseado al activar el circuito.

Los interruptores de inercia son ideales para funciones que incluyen:

Detección de despertadorpara iniciar un proceso.

Detección de golpespara invocar un circuito de seguridad o terminar un proceso.

Monitoreo de procesospara contar eventos inerciales.

En una situación en la que simplemente desea recibir una alerta de que se superó un umbral de aceleración en algún momento en el pasado, sería necesario un dispositivo de enganche mecánico. En este caso, en lugar de una activación momentánea del circuito, el diseño del interruptor de inercia de bloqueo evitaría que el resorte invirtiera la masa de prueba y mantendría el contacto cerrado con el electrodo estacionario. Por ejemplo, el umbral se puede configurar lo suficientemente alto como para evitar alertar con un movimiento normal (como una máquina de EKG portátil empujando encima de un carro). Los impactos por encima del umbral generan una advertencia, como una luz LED, para alertar a los usuarios de que deben volver a verificar la calibración.

El conteo de eventos se puede lograr incrementando un registro para cada contacto realizado. Esta información puede indicar cuántas veces un dispositivo superó el umbral de aceleración deseado. Por ejemplo, un motor inteligente que cuenta el número de eventos de inercia por encima de un parámetro de seguridad establecido.

Un caso de uso que ilustra la funcionalidad de un interruptor g inercial es un sistema de activación para monitorear la carga durante el transporte. Si un camión golpea un camino accidentado y su carga experimenta una carga de choque por encima de un umbral, el electrodo móvil golpeará al electrodo estacionario y activará el circuito. Esto libera una señal de pulso para alertar al conductor de que puede haber ocurrido un posible daño a la carga. (Ver Fig. 3)

Otras tecnologías utilizadas para la detección de fuerza de inercia incluyen materiales piezoeléctricos, configuraciones electrostáticas y acelerómetros.

Los dispositivos piezoeléctricos son ideales para aplicaciones basadas en sonido, como sensores de vibración, parlantes, micrófonos y teléfonos celulares. La naturaleza de atracción/repulsión de las fuerzas electrostáticas las hace adecuadas para purificadores/filtros de aire, fotocopiadoras e impresoras láser. Sin embargo, ambos tienen la desventaja de requerir potencia continua para su funcionamiento.

Los acelerómetros se utilizan en aplicaciones que van desde la orientación de teléfonos inteligentes hasta dispositivos biométricos como marcapasos. La construcción de un acelerómetro es similar al interruptor g inercial en el sentido de que utiliza el movimiento de una masa de prueba para calcular la fuerza y ​​la dirección; sin embargo, los acelerómetros deben recibir alimentación continua para realizar su función de monitoreo, recopilación y transmisión de datos.

El interruptor inercial de potencia cero ofrece las ventajas del uso de energía cero hasta que se activa mediante una señal, así como una durabilidad superior en entornos extremos.

Las capacidades de mecanizado avanzadas desarrolladas a partir de la tecnología MEMS han permitido a los ingenieros de diseño hacer que las aplicaciones existentes sean más pequeñas y energéticamente más eficientes, además de inspirar aplicaciones de próxima generación, como dispositivos médicos portátiles y juegos de realidad virtual. Estas son solo algunas áreas adicionales que podrían beneficiarse del interruptor g de potencia cero:

La fabricación de alta relación de aspecto (HARM), en la que las dimensiones verticales son mayores que las dimensiones laterales, dificulta la fabricación de dispositivos en miniatura como el interruptor inercial. Sin embargo, con los avances en las técnicas de microfabricación, los dispositivos MEMS están más disponibles para muchas aplicaciones comerciales. La naturaleza pasiva del microinterruptor abre mejoras en muchas aplicaciones móviles donde se requiere miniaturización y bajo consumo de energía.

Este artículo fue escrito por Danny Czaja, director ejecutivo de HT Micro (Albuquerque, NM). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Czaja en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo. o visite aquí.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de mayo de 2023 de la revista Sensor Technology.

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