Sensores MEMS: sin ralentización en las aplicaciones, innovación

Los sistemas Micro Electro Mechanical (MEMS) continúan demostrando un crecimiento sostenido según las principales firmas de investigación del mercado. IHS espera un crecimiento del 6.3 por ciento para el año 2013 con ganancias a nivel industrial que rondarían los $1.6 mil millones. IHS atribuye la solidez a los segmentos industriales tales como petróleo, gas y aereoespaciales que implementan sensores de presión e inercia.

Otro analista de la industria de MEMS, Yole Developpement of France (Figura 1), detectó que la demanda de teléfonos celulares continúa impulsando un crecimiento sólido de los dispositivos MEMS. Además, la fortaleza del segmento de sensores de inercia se evidencia en InvenSense, que recientemente adquirió la división de micrófonos MEMS de Analog Devices, lo que implicó un aumento en las ventas de aproximadamente el 30 por ciento según Yole.

Las buenas noticias es que la demanda continuará en aumento hasta el año 2018 y, en el contexto económico actual, esto es toda una proeza.


Figura 1: El mercado para los chips MEMS alcanzará los $22 mil millones en el año 2018 y las aplicaciones continuarán creciendo y expandiéndose (Cortesía de Yole Developpement).

Desde que se descubrió que MEMS podía ayudar a los diseñadores con la miniaturización de los miles de millones de sistemas electrónicos al ofrecer una disminución en el peso y en el consumo de energía, MEMS despegó. Además, gracias a que MEMS es más fácil y más rentable para fabricar, no posee prácticamente piezas móviles y su uso aumentó la confiabilidad y el rendimiento de los dispositivos, se aseguró que MEMS atraería la atención de los diseñadores. Como resultado, los sistemas automotrices, los teléfonos móviles, la electrónica médica, electrodomésticos y hardware militar/espacial todos cuentan con MEMS. La integración de los sensores MEMS que incluyen funciones que eliminan pasos tediosos para los ingenieros y lo hacen a un menor costo ha sido clave para sus aplicaciones actuales y futuras.

Un ejemplo de dicha integración del sistema es el sensor de inercia compacto, de precisión y de seis grados de libertad de la serie ADIS16445 de Analog Devices. El sistema inercial completo incluye un giroscopio triaxial y un acelerómetro triaxial. Cada sensor en el ADIS16445 combina la tecnología iMEMS de ADI con el acondicionamiento de la señal obteniendo la optimización del rendimiento dinámico. La calibración de fábrica permite distinguir a los sensores por su capacidad de detección, derivación, alineación y aceleración lineal (deriva del giroscopio). Como resultado, cada sensor tiene una fórmula de compensación dinámica única para mediciones precisas del sensor.


Figura 2: El sensor inercial ADIS16445 compacto, de precisión y de 6 grados de libertad ofrece integración del sistema para facilitar el diseño en aplicaciones de navegación.

ADIS16445 ofrece una manera simple y rentable de integrar la detección inercial precisa y de varios ejes en sistemas industriales. Todas las pruebas de movimiento y calibraciones necesarias se realizan en la fábrica por lo que se disminuye significativamente el tiempo de integración del sistema. La alineación ortogonal ajustada simplifica aún más la alineación de cuadro inercial en sistemas de navegación mientras que las estructuras de SPI y registro ofrecen una interfaz simple para la colección de datos y el control de la configuración. Las aplicaciones incluyen control y estabilización de plataforma, navegación y robótica.

La industria automotriz continúa siendo el principal usuario de los dispositivos MEMS. Los sistemas de inyección directos, la seguridad automotriz, el control de presión de neumáticos y los sistemas de frenos se basan en sensores MEMS.

La seguridad automotriz incluye la detección de vuelco del chasis del vehículo y un sensor que se adapta al presupuesto es el MEMS Gyro ADXRS620 de Analog Devices con una velocidad de derrape de ±300°/seg. (Figura 3).


Figura 3: Diagrama funcional de bloques del giroscopio ADXRS620 de Analog Devices, que está destinado a las aplicaciones de seguridad automotriz.

El ADXRS620 es un giroscopio que utiliza un proceso de micromaquinado de superficie para crear un sensor con velocidad angular económico y funcionalmente completo integrado en un chip. Este giroscopio de grado automotriz es 100 por ciento compatible con la función, la temperatura, el paquete y el pin del giro ADXRS652 de grado industrial del proveedor. La señal de salida, RATEOUT (1B, 2A), es un voltaje que es proporcional a la velocidad angular sobre el eje normal a la superficie superior del paquete. La salida es radiométrica con respecto a una alimentación de referencia proporcionada. Un capacitor externo establece el ancho de banda. El ADXRS620 está disponible en un paquete de cerámica BGA de 7 × 7 × 3 mm.

Los sensores de inclinación son esenciales para los instrumentos de medición de inclinación y nivelación de alta precisión. La alta precisión viene de la mano de la serie SCA103T de Murata (Figura 4), una familia de inclinómetros de seis ejes y basados en 3D-MEMS que utiliza el principio de medición diferencial para compensar todos los errores de modo y efectos de ruido comunes.

Su precisión alta de calibración combina una dependencia de temperatura extremadamente baja, una resolución alta y un ruido bajo junto con un diseño de elemento de detección sólido. Los inclinómetros no son sensibles a vibraciones en elementos de detección humedecidos en exceso y además soportan choques mecánicos de 20,000 g.

Figura 4: Diagrama funcional de bloques de los sensores de inclinación de la serie SCA103T de Murata, que se utilizan para instrumentos de medición de inclinación y nivelación de alta precisión.

Estos sensores ofrecen un estabilidad excelente en temperatura y tiempo excesivos. Incluyen salidas de voltaje analógicas y radiométricas, inclinación SPI digital y salida de temperatura, y además cuenta con funciones integrales de detección de fallas. También son compatibles con el proceso de soldadura de reflujo. El dispositivo ofrece mediciones sin problemas en máquinas en movimiento, vehículos, aviones, máquinas de construcción y dispositivos manuales.

Mirada puesta en el futuro

¿En dónde se gestará el crecimiento del uso de sensores MEMS en el futuro? Los dispositivos para la atención médica móviles y cableados aumentarán las ventas de sensores de movimiento y acelerómetros de MEMS. El control del bienestar y de la salud para una población que envejece continuará fomentando la integración de acelerómetros, giroscopios y brújulas electrónicas MEMS. La industria automotriz volverá a estar al frente, especialmente los sensores de presión MEMS.

Otras aplicaciones incluyen dispositivos inteligentes, como relojes y gafas, cámaras térmicas y sensores de gas. Se acaban de incorporar microbolometros, arreglos muy pequeños de sensores de detección de calor que son sensibles al IR. Se utilizan en sistemas de vigilancia, cumplimiento de la ley y extinción de incendios, y es muy probable que se adopten pronto en otros lugares.

Los micrófonos MEMS se pueden encontrar en una amplia variedad de dispositivos de consumo que oscilan desde teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y juegos hasta ayudas auditivas, TV y cámaras. En la actualidad, Apple y Samsung son los principales consumidores de micrófonos MEMS, más del 50 por ciento es utilizado por estas dos empresas. Los micrófonos MEMS pronto se incorporarán a las aplicaciones automotrices.

Tenga en cuenta a Knowles SPM0437HD4H, un micrófono digital de silicio de puerto superior, de bajo consumo, de alto rendimiento y en miniatura con una salida PDM de bit único. Al utilizar la tecnología SiSonic MEMS de Knowles, el SPM0437HD4H consta de un sensor acústico, un búfer de entrada de bajo ruido y un modulador sigma-delta. Este dispositivo es ideal para aplicaciones como teléfonos celulares, teléfonos inteligentes, computadoras portátiles, cámaras digitales, grabadores de música portátiles y otros dispositivos electrónicos portátiles donde se necesita usar audio de banda ancha e inmunidad a RF.

Al igual que con todos los diseños relacionados con sensores, la fusión del sensor continúa prosperando. Las combinaciones de sensores utilizadas facilitan a los ingenieros de diseño juntar e implementar capacidades y la funcionalidad sin precedentes en tiempo récord y a un menor costo en comparación con el uso de sensores individuales. Si bien los teléfonos y las tabletas se mantendrán en la cima, los sensores MEMS, especialmente en aplicaciones de consumo, se integrarán en prácticamente todo lo que vemos.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de DigiKey.