Las Mediciones de Aceleraci³n en Automoci³n (1)

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resumenLas mediciones de aceleracin en automocin, navegacin, biomdica y usos del consumidor demandan microaccelerometers de alto rendimiento. Este papel pre Senta un modelo de optimizacin para maximizar el ancho de banda de microaccelerometers uniaxial piezorresistivo basado en can-tilever-tipo vigas. El modelo propuesto proporciona una alta sensibilidad, as como los niveles de estrs normal inferiores a la tensin de ruptura de material de estos microaccelerometers. Este modelo utiliza el mtodo de Rayleigh para determinar la funcin objetivo del ancho de banda y la teora de mximo-normal-estrs fracaso para obtener una restriccin de estrs que garantiza un funcionamiento seguro para la estructura de microacelermetro. Se utiliza el mtodo de optimizacin de caja-complejo el modelo de optimizacin debido a su algoritmo de programacin fcil de resolver. Se desarrollan modelos de elementos finitos (FE) para determinar el comportamiento mecnico de la mic-roaccelerometers optimizado piezorresistivo. Los resultados de los modelos de FE coinciden con los del modelo de optimizacin. El modelo de optimizacin puede ser fcilmente utilizado por los diseadores para encontrar las dimensiones geomtricas ptimas de piezorresistivo microaccelerom-parmetros para maximizar su rendimiento.

introduccionA granel y micromecanizado superficial tcnicas han permitido el desarrollo de eciente sensores capaces de medir los parmetros fsicos tales como aceleracin (Herrera-mayo et al. 2008), campo magntico (Herrera-mayo et al. 2009a) y la presin (Herrera-mayo et al 2009b). Esto ha sido stim-ulated por las ventajas ofrecidas por tcnicas de micromecanizado, incluyendo: miniaturizacin, baja potencia con-sumption, alta sensibilidad y sensor bajo precio. Entre estos dispositivos, microaccelerometers han obtenido gran xito comercialmente principalmente en la industria automotriz, donde se utilizan para activar sistemas de seguridad, por ejemplo en las bolsas de aire, sistemas de estabilidad del vehculo y electrnica sus-Pensin (Yazdi et al., 1998). Adems, otras aplicaciones exigentes de alto rendimiento microaccelerometers incluyen navegacin, monitoreo de la actividad biomdica, Sismologa y usos del consumidor tales como cascos de realidad virtual y perifricos (Beeby et al. 2004; Fedder et al. 2005). Dos requisitos principales para estos microac-celerometers incluyen alta sensibilidad y gran ancho de banda. Por lo tanto, un microacelermetro idealmente diseado debe tener un rendimiento ptimo para alcanzar estos requisitos. Desafortunadamente, la NNUU requisitos mutuamente, as que si se aumenta la sensibilidad entonces se reduce el ancho de banda y vice versa (Roylance y Angell 1979). Por lo tanto, los diseadores tienen un reto importante para determinar los valores de opti-mam de la sensibilidad y el ancho de banda para cada aplicacin particular. Seidel y Csepregi (1984) reportaron un procedimiento de optimizacin de diseo para maximizar uno de los requisitos con un valor de especficas para el otro. En addi-cin, la optimizacin del rendimiento de los acelermetros debe garantizar una operacin segura (es decir, la tensin causada por las aceleraciones debe ser menor que la tensin de ruptura de material de la microacelermetro).

Durante las ltimas tres dcadas que han sido investigados varios microacceler-ometers basado en piezorresistivo (Amarasinghe et al. 2007; Sankar et al. 2009), capacitancia (Chae et al., 2005), piezoelctrico (Hindrichsen et al. 2009), trmica (Daudersta dt et al. 1998), el hacer un tnel (Liu y Kenny 2001) y ptico (Lee y Cho 2004) principios de deteccin. Cada enfoque tiene sus propias ventajas inherentes e inconvenientes. Por ejemplo, microacceler-ometers piezoelctricos cuentan con una buena linealidad, respuesta rpida y con potencia mnima-sumption, pero no responden a la constante aceleracin (Zhu et al. 2004). Micro-acelermetros termal hacer no necesitan una masa slida prueba y se basan en conveccin trmica, aunque, han compensado las variaciones de las condiciones de operacin a largo plazo causados por cambios en la temperatura ambiente (Kaltsas et al. 2006). Tnel microaccelerometers presentan una alta sensibilidad, pero que requieren un proceso de fabricacin complejo y tienen problemas de estabilidad (Liu et al., 1998). Diseos novedosos incluyen microaccelerometers ptico que tienen inmunidad a las interferencias electromagnticas (EMI) y reducir los circuitos electrnicos y el peso total; Sin embargo, presentan prdidas intrnsecas debido a imperfecciones estructurales y requieren difciles procesos de fabricacin (Llobera et al. 2007). Microaccelerometers capacitivas tiene una pequea dependencia de la temperatura, pero tienen capacidades parsitas de los cables de conexin que complican las mediciones de la seal; Adems, necesitan com - de electrnica y el entrehierro estrechas sobre un rea relativamente grande aumenta la amortiguacin (Zou et al. 2008). Piezo-resistivos microaccelerometers son fabricados mediante un proceso fcil y maduro, requieren circuitos de lectura simple, han bajo costo y alta sensibilidad, pero sufren de influencia trmica que puede controlarse con el empaquetado cuidadoso, recorte y circuitos de compensacin (perdiz et al. 2000; Huang et al. 2005). Piezorresistivo microaccelerometers son una alternativa importante para el uso en aplicaciones convencionales y nuevas de las mediciones de aceleracin.

Aunque la investigacin y fabricacin de piezorresistivo microaccelerometers han sido muy extensas, se han realizado pocos estudios acerca de la optimizacin de su rendimiento. Seidel y Csepregi (1984) reportaron un procedimiento de optimizacin de diseo de un micro-acelermetro piezorresistivo para maximizar su sensibilidad, mientras que su ancho de banda mantiene un valor especficas, pero sin con-sidering el estrs causado por las aceleraciones. Joshi et al (2005) propone una tcnica para optimizar el rendimiento de un microacelermetro de tipo voladizo basado en modelos de mtodo (FEM) de elemento limitado a travs de software de Coventoreware MEMSCAD; Sin embargo, esta tcnica analiza solamente la variacin del ancho de banda y tensiones causadas por los cambios en las dimensiones del voladizo. Adems, esta tcnica requiere mucho tiempo de clculo para evaluar el desempeo de los modelos FEM. Kova cs y V zva ry (2001) report modelos analticos a compaero de esti el ancho de banda y la sensibilidad de piezorresistivo microaccelerometers debido al cambio de los parmetros geomtricos. Sin embargo, Kova cs y modelos de optimizacin V zva ry (2001) no desarrollado para evaluar el desempeo ptimo de la microacelermetro y hacer no con-agujereados por estrs efecto sobre la estructura. Coultate (2008) reportaron un diseo ptimo y robusto en un microacelermetro capacitiva usando la tcnica gentica algo-ritmo. Sin embargo, esta tcnica es complicada y se utiliza nicamente para maximizar la gama completa (FSR).

Descripcin de los modelos de dispositivo

Es necesaria encontrar una descripcin de los modelos de ancho de banda, la sensibilidad y el estrs de un microacelermetro piezorresistivo su rendimiento ptimo para una aplicacin especficas. Estos modelos se aplican a la conguration estructural de un microacelermetro piezorresistivo fabricado por Plaza et al (2002). El encontrar modelos las dimensiones geomtricas requiere de la microacelermetro para un ancho de banda ptimo, una alta sensibilidad y un nivel de estrs la ruptura material menos estrs de su estructura.

Figura 1a y b muestra el conguration estructural de un microacelermetro piezorresistivo basado en vigas tipo voladizo. El microacelermetro consiste en dos vigas de apoyo, una masa de prueba, el marco de una gira y cuatro piezoresistors en un conguration de puente de Wheatstone. Un modelo de optimizacin se utiliza en este microacelermetro encontrar las dimensiones ptimas que mejoran su ancho de banda sin sobrepasar la ruptura material estrs, manteniendo una alta sensibilidad. As, el modelo de optimizacin propuesta garantizar un funcionamiento seguro de este tipo de microaccel-erometer para cada aplicacin especficas. La figura 2 muestra los parmetros geomtricos usados para optimizar las dimensiones de la conguration de la microacelermetro piezorresistivo estructural. Su con-guration estructural se divide en tres vigas elsticas con tres longitudes diferentes (L1, L2 y L3), dos espesores (s1 y s2) y dos anchuras (v1 y v2). Para simplificar el modelo optimiza-cin, proponemos descuidar las laderas de la masa de prueba debido a anisotrpico y considerar los extremos de las vigas de apoyo como extremos afianzado con abrazadera. Adems, el grueso de la masa prueba es mucho mayor que la de las vigas de apoyo

Cuando se aplica una aceleracin normal a la microacelermetro piezo - resistivo, su masa prueba experimenta un deection vertical que provoca tensiones transversales y longitudinales en los extremos de las vigas de apoyo. Estas cepas producen un cambio en las resistencias (R1, R2, R3 y R4) de cada piezoresistor colocados en las vigas de apoyo. Por lo tanto, estas variaciones provocan un cambio en el voltaje de salida (lnea) del puente de Wheatstone (ver Fig. 3). En este conguration, la magnitud de la aceleracin se mide en funcin de la tensin de salida del puente de Wheatstone.Modelado de ancho de banda

La optimizacin del ancho de banda es necesaria para ampliar la gama de aplicacin de la microaccelerometers. Esta optimizacin debe lograrse manteniendo un nivel de baja tensin y sensibilidad adecuada para garantizar una eciente y funcionamiento seguro de la microaccelerometers. Se determina el ancho de banda de un microacelermetro en la primera frecuencia resonante de su sistema estructural (Fraden 1996). La frecuencia resonante fundamental de un sistema estructural continuo puede obtenerse usando el mtodo de Rayleigh. Este mtodo es muy simple y fcil de usar que anlisis exacto para sistemas con diferentes dis-montaas de masa y rigidez (Rao 2004). El mtodo de R