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Sensores MEMS - Aplicaciones industriales con mucha sensibilidad

Los sensores MEMS ya están integrados de forma habitual en los teléfonos móviles y las tablets. Aunque estos pequeños sensores de alta sensibilidad también pueden proporcionar más seguridad, más comodidad y un consumo de corriente menor en aplicaciones industriales, médicas y de uso doméstico.
Los sistemas microelectromecánicos (MEMS - Microelectromechanical Systems) combinan elementos lógicos y estructuras micromecánicas en un chip. Los pequeños sensores de valores medidos con un tamaño de milésimas de milímetro, como muelles, barras, pesos o membranas, están directamente grabados en el sustrato de silicio y pueden registrar aceleraciones lineales, velocidades de giro, presión o sonido.

SensoresautorLas señales débiles son procesadas y amplificadas por el sistema electrónico integrado y se transmiten a través de una interfaz analógica o digital. Los MEMS han hecho posibles muchas aplicaciones innovadoras en forma de sensores de aceleración, giroscopios, sensores de presión y micrófonos con dimensiones mínimas. Los precursores fueron el mercado de consumidores y de telefonía móvil y el mercado de la automoción. Fueron los primeros en saber aprovechar las posibilidades de los sensores MEMS, ya sea para consolas con las que los usuarios pueden ganar los Juegos Olímpicos desde el salón de su casa, para teléfonos móviles que reaccionan ante el movimiento, cámaras con estabilizador de imagen o los sistemas de airbag y ESP en los automóviles.


En este sentido, el mercado internacional de los MEMS está creciendo constantemente y actualmente presenta unas cifras de venta aproximadas de mil millones de dólares. El líder del mercado internacional de MEMS Bosch vendió mil millones de unidades durante los trece años transcurridos entre 1995 y 2008 y hasta los dos mil millones solo pasaron tres años. La compañía STMicroelectronics también ha registrado un crecimiento inesperado: en el año 2011, la empresa logró aumentar un 80% sus ventas de sensores MEMS, sobre todo en el mercado de consumidores y de telefonía móvil, y como consecuencia forma parte de los líderes del mercado en este sector. Ahora la empresa quiere aplicar la experiencia adquirida en otros mercados. Para ello cuenta con suficiente potencial: los sensores MEMS ofrecen nuevas aplicaciones en casi cualquier ámbito y pueden hacer que las aplicaciones existentes sean más cómodas, seguras y energéticamente más eficientes o que destaquen de la competencia mediante la integración de nuevas características. La revolución que ya se ha producido en el mercado de los teléfonos móviles, aún está por llegar aquí.


Mayor confort de manejo
El sector de las interfaces hombre-máquina (HMI - Human-Machine-Interface) es un campo de aplicación muy prometedor. Aquí se pueden aprovechar las experiencias de la aplicación en teléfonos móviles, ya que la función de toque y doble toque se puede aplicar fácilmente. Con el control por voz también se puede llevar a cabo una aplicación del tipo HMI. En este sentido, los teléfonos móviles vuelven a demostrar las posibilidades: los usuarios de iPhone pueden añadir sus citas o enviar sus correos electrónicos con la ayuda de “Siri”. Los micrófonos MEMS también permiten la aplicación de este tipo de control y de detección por voz en otros dispositivos, por ejemplo en sistemas de navegación. Todo ello gracias a la combinación de las dimensiones mínimas con una alta calidad de sonido y resistencia. Estas ventajas también pueden aplicarse en dispositivos de manos libres o en sistemas de conferencia, sin gastos adicionales.
Así por ejemplo, STMicroelectronics ofrece micrófonos MEMS más eficientes y más resistentes que los clásicos micrófonos electret (ECM) convencionales. Los modelos MP34DT/DB01 / MP45DT02 disponibles actualmente tienen una relación señal/ruido (SNR) 63 dB con una respuesta de frecuencia muy plana (de 20 Hz a 20 kHz).


Mayor seguridad
Los sensores de velocidad de giro contribuyen a la seguridad en las taladradoras. Registran la rotación de la taladradora en el momento en que la broca se aferra al hormigón y se encargan de la desconexión. Los sensores de aceleración permiten la denominada “detección de caída libre” (“Freefall Detection”), que actualmente se aplica sobre todo en los discos duros de los ordenadores portátiles. Si el sensor registra la caída libre, se encargará de que la cabeza registradora y de lectura no choque con el disco duro, sino que se retraiga a tiempo. Este principio también se puede aplicar en una motosierra o en el control remoto de una grúa para conectar el dispositivo en un estado seguro mediante una desconexión de emergencia en caso de que se produzca una caída libre.


Los sensores de aceleración también registran los más mínimos movimientos y vibraciones, por lo que pueden proteger a las tuberías de aceite y de gas o a las máquinas automáticas de un modo sencillo y eficaz contra el vandalismo y a los objetos valiosos contra el robo. El registro de las vibraciones de las máquinas también permite comprobar el funcionamiento correcto de las mismas.  


Los sensores de presión barométricos MEMS están capacitados para medir diferencias de nivel con una precisión de 25 cm. En comparación con los sistemas de localización por satélite, que no funcionan en entornos cerrados debido a la ausencia completa o a la mala de recepción, permiten aplicaciones como la navegación en interior en grandes almacenes o en parkings. Esto es posible, porque miden la presión del aire, a partir de la que calculan la altura y pueden asignar un piso. También se utilizan en sistemas de navegación, por ejemplo para localizar el vehículo en calles de varios pisos. En los casos de aplicación para los bomberos y la policía, los sensores de presión MEMS pueden incluso salvar vidas localizando la posición en la que se encuentran las personas accidentadas en los edificios.


Sensores1Mayor eficiencia
Si una se desconecta inmediatamente cuando deja de funcionar correctamente, también aumenta su eficiencia energética. Esto se puede optimizar aún más mediante la combinación de varios sensores. Por ejemplo, en la lavadora los sensores de presión pueden medir el nivel de llenado mientras se calcula la carga mediante sensores de aceleración y se adapta el programa de lavado y de secado de forma correspondiente. Los sensores de aceleración provocan la desconexión automática Sensores2de dispositivos como controles remotos, lámparas o dispositivos de audio, si no registran ningún movimiento durante un intervalo de tiempo determinado.


STMicroelectronics y Bosch Sensortec ofrecen productos de primera clase para este tipo de aplicaciones: Los sensores de aceleración MEMS de tres ejes LIS3DH (STMicroelectronics) y BMA250 (Bosch Sensortec) están especialmente indicados para aplicaciones en dispositivos móviles, ya que ambos permiten un gran ahorro energético y tienen unas dimensiones muy reducidas.: El LIS3DH tan solo necesita una toma de corriente de 2 mA en el modo de consumo ultra bajo y el modelo de Bosch necesita menos de 5 ?A en el modo de consumo bajo. Sus dimensiones de 3x3x1 mm (LIS3DH) y 2x2x0,95 mm (BMA250) son ideales para aplicaciones en las que se cuente con poco espacio. Ambos sensores suministran valores de medición precisos en los rangos de medición programables de +/-2 g, +/-4 g, +/-8 g y +/-16 g con una sensibilidad de 1 mg/digit en el LIS3DH y de 256 LSB/g en el BMA250 en el rango de 2 g. Su resolución digital es de 12 bits y de 10 bits y el offset cero g típico a los largo de la vida útil completa es de +/- 40 mg en el modelo de ST y de +/- 80 mg en el modelo de Bosch.

Para los dispositivos móviles además son interesantes la gestión inteligente de energía, la detección de la caída libre y la función de contador de pasos. Para las aplicaciones HMI, los sensores ofrecen la adaptación de la visualización en pantalla y el control mediante toque y doble toque. Además son compatibles con funciones de juegos y de realidad virtual. Ambos fabricantes ofrecen herramientas de software y de hardware para realizar las primeras pruebas con una interfaz gráfica fácil de utilizar para usuario. Esto permite que los ajustes puedan realizarse y probarse de forma sencilla y posteriormente integrarse tal cual en la aplicación. Tanto ST como Bosch ofrecen placas programables, interfaces de programación de aplicaciones (IPA) y controladores de nivel bajo.


Mayor libertad de movimientos
Los distintos tipos de sensores no deben contemplarse de forma aislada. Mediante su combinación se obtienen aplicaciones con un grado de sensibilidad muy alto, que casi pueden compararse con la sensibilidad humana. Así, los sensores de aceleración combinados con un giroscopio están capacitados para crear perfiles de movimiento complejos. Ambos sensores también están disponibles integrados en un módulo, por ejemplo en el LSM330DLC de STMicroelectronics. Dicho módulo incluye el sensor de aceleración de tres ejes LIS3DH y el giroscopio de tres ejes L3GD20 en unas dimensiones de solo 4x5x1,1 mm. Este último incluye la escala de medición completa de ±250 dps a ±2000 dps y dispone de un interruptor programable.


En este sentido, este tipo de sensores y módulos MEMS permiten el supervisión a distancia de pacientes o de personas mayores sin limitar su libertad de movimientos. Así por ejemplo, si se produce una caída puede avisarse inmediatamente a un enfermero o puede localizarse a las personas desorientadas que se hayan perdido. Las ergoterapias, el entrenamiento para deportistas y la administración de medicamentos también se pueden adaptar de manera precisa al perfil de movimiento individual así diseñarse de un modo más efectivo. En los medidores de presión arterial, el sensor puede comprobar la posición del brazo y, de este modo, asegurar la medición correcta sobre todo para el uso doméstico. En el sector de la ganadería, el módulo de sensor LSM330DLC permite determinar individualmente la cantidad de forraje de acuerdo con los movimientos realizados por el animal.


Sensores3Mayores grados de libertad
Los módulos de sensor que reúnen un mayor número de tipos de sensores ofrecen aún más grados de libertad (DoF, Degrees of Freedom). Gracias a sus dimensiones reducidas en comparación, están especialmente indicados para aplicaciones en las que se cuente con poco espacio. Actualmente las combinaciones más solicitadas están formadas por sensores de aceleración, de giroscopio y de brújula. STMicroelectronics ha presentado recientemente un módulo multisensor con nueve grados de libertad. El iNEMO M1 integra un sensor de aceleración de tres ejes, un sensor magnético de tres ejes, un giroscopio de tres ejes, un microcontrolador de 32 bits Sensores4STM32 y un software especial, y todo ello en unas dimensiones compactas de solo 13x13x2 mm. De este modo, puede registrar aceleraciones lineales, velocidades angulares y el campo magnético terrestre, permitiendo determinar de forma precisa la dirección, la posición y los movimientos. El software de fusión de sensores agrupa las señales de salida de todos los sensores y los algoritmos de predicción y de filtro corrigen automáticamente las distorsiones y las imprecisiones de las mediciones. Así, el módulo ofrece un grado mayor de realismo en las aplicaciones de juegos, las interfaces hombre-máquina , los robots, los dispositivos de navegación portátiles y en la supervisión de pacientes.


Una amplia oferta
Los ejemplos demuestran lo siguiente: los campos de aplicación y las posibilidades de los sensores MEMS son prácticamente infinitas. Sin embargo representan un reto para los desarrolladores que deseen utilizarlos para sus aplicaciones. Ya que a menudo al principio del desarrollo no está claro el tipo de sensor que debe elegirse para alcanzar su objetivo del mejor modo. La amplia oferta de fabricantes de modelos se encarga de que la visión no se desvíe al principio del desarrollo. Rutronik cuenta con diferencia con la gama más extensa de sensores y sensores MEMS con productos innovadores de fabricantes conocidos. Esta amplia gama permite encontrar una solución adecuada para cada aplicación.

Autor:

Author: Martin Grimmer, Senior Marketing Manager Analog & Sensors at Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH

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