Los sensores MEMS deben resistir tanto los golpes como las vibraciones

Los diseñadores de productos pueden dar por sentado que un alto índice de resistencia a los golpes significa que un acelerómetro MEMS es lo suficientemente resistente para entornos adversos, pero los golpes y las vibraciones someten al dispositivo a tensiones de diferente índole. Un único impacto permite comprobar si el sensor es capaz de soportar una aceleración máxima, mientras que la vibración prolongada puede limitar su capacidad para seguir funcionando con precisión tras ciclos de esfuerzo repetidos.

La clasificación de golpe de fuerza g (g-shock) indica la aceleración máxima que puede soportar un sensor MEMS, pero no permite predecir por completo su comportamiento en entornos de funcionamiento reales. Un dispositivo con un alto índice de resistencia a los golpes puede seguir siendo vulnerable a vibraciones repetitivas de menor intensidad si su diseño mecánico carece de la amortiguación o el margen de seguridad suficientes. Los diseñadores que evalúan tanto la resistencia a golpes puntuales como el comportamiento ante vibraciones repetidas tienen menos probabilidades de que se produzcan fallos prematuros o una disminución del rendimiento en condiciones reales de uso.

El comportamiento frente a las vibraciones viene determinado por el margen mecánico disponible bajo una excitación continua que depende de la frecuencia, mientras que el comportamiento frente a los golpes viene definido por el valor máximo de aceleración que el dispositivo puede soportar en un único evento. Sin embargo, ninguna de las dos describe con exactitud la rapidez con la que se aplica esa descarga. Es aquí donde cobra importancia la tasa de variación de la aceleración, ya que refleja la diferencia entre un impacto que se produce de forma gradual y uno extremadamente brusco, que pueden someter a la estructura MEMS a tensiones de naturaleza fundamentalmente diferente, incluso con el mismo nivel de g máximo.

La especificación de la tasa de variación cobra importancia cuando la aceleración aumenta rápidamente, como ocurre en la detección de colisiones en el sector de la automoción, la implementación de los airbags, la balística y las municiones, y la monitorización de impactos en el ámbito industrial. En pocas palabras, dos sacudidas con el mismo valor máximo de g pueden producir tensiones mecánicas muy diferentes si sus tiempos de subida son distintos. En otras palabras, sobrevivir a una aceleración máxima elevada no equivale necesariamente a sobrevivir a una aceleración muy rápida.

Esa distinción es importante porque no todas las pruebas de homologación miden el mismo tipo de esfuerzo mecánico. Algunas pruebas se centran en la vibración prolongada, otras en los golpes bruscos y otras, a su vez, en el rendimiento tras el incidente. Las normas internacionales específicas de ensayo ofrecen a los diseñadores un punto de partida para seleccionar componentes que concilien la supervivencia inmediata con un rendimiento operativo sostenido:

• La norma MIL-STD-883, método 2007, especifica los ensayos necesarios para determinar si un microcircuito es capaz de soportar vibraciones sinusoidales en un amplio rango de frecuencias sin sufrir daños mecánicos ni una disminución de su rendimiento durante el transporte y el funcionamiento.
• La norma IEC 60068-2-27 amplía el concepto de ensayo a los componentes electrónicos, los conjuntos y los productos completos. Establece ensayos normalizados de resistencia a los golpes mecánicos para garantizar que los equipos puedan soportar impactos repentinos que puedan provocar la rotura de las barras de conexión, el desprendimiento de las uniones de cable o el agrietamiento de los chips durante el transporte, la manipulación o el funcionamiento.

Analog Devices, Inc. (ADI) y otros proveedores complementan estas homologaciones estandarizadas con información adicional sobre el comportamiento del sensor en aplicaciones en las que se producen impactos con tiempos de subida excepcionalmente rápidos. Es posible que los diseñadores tengan que evaluar las especificaciones de los distintos proveedores en cuanto a combinaciones de aceleración máxima, duración del pulso, rango de frecuencias y criterios de rendimiento tras la prueba.

Primera línea de defensa

La capacidad para resistir los golpes y las vibraciones depende, en última instancia, del diseño mecánico interno del sensor MEMS. En el núcleo de todo acelerómetro hay una masa de prueba microscópica suspendida mediante delicadas articulaciones flexibles. Durante el funcionamiento normal, la masa de prueba solo se desplaza ligeramente en respuesta a la aceleración. Sin embargo, en caso de golpes o vibraciones intensas, su movimiento puede llegar a ser lo suficientemente fuerte como para dañar la estructura sensora, a menos que el dispositivo incorpore medidas de protección.

Una primera línea de defensa consiste en un conjunto de topes mecánicos que limitan el movimiento de la masa de prueba durante los episodios de alta aceleración, evitando así que entre en colisión con los elementos sensores fijos (Figura 1). Para mejorar aún más la capacidad de supervivencia, muchos diseños de MEMS incorporan crenulaciones microscópicas o pequeñas protuberancias que reducen la superficie de contacto en caso de impacto. Los recubrimientos antiadherentes se utilizan a menudo para reducir aún más la adherencia y mejorar la resistencia a los golpes.

Figura 1: Esta ilustración muestra una representación general de la estructura de un acelerómetro MEMS (a) y una sección ampliada de uno de los topes (b) que protegen contra impactos fuertes. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El rendimiento tras un impacto es tan importante como la supervivencia física, ya que un acelerómetro MEMS puede soportar un impacto y, aun así, presentar un sesgo, un factor de escala o un ruido degradados. Considere este escenario en el que se producen dos impactos que afectan al mismo sensor MEMS:

• En un caso concreto, la fuerza aumenta gradualmente (en el caso de un impacto) y alcanza un máximo de 8,000 g en unos pocos milisegundos. Aunque se trata de una aceleración considerable, el sensor dispone de tiempo suficiente para reaccionar y se mantiene dentro de sus límites mecánicos, lo que le permite resistir el impacto y medirlo con precisión.
• En una segunda instancia, el sensor recibe el impacto de forma casi instantánea. La fuerza máxima alcanza tan solo 4000 g, muy por debajo del índice de resistencia a los golpes de 10,000 g. Sin embargo, la fuerza aumenta en tan solo microsegundos, superando la tasa de variación de la aceleración permitida por el sensor y generando una tensión mecánica que el valor nominal de resistencia a los impactos por sí solo no revelaría.

Esa distinción ayuda a explicar por qué el rango de medición a escala real y la capacidad de supervivencia no varían de forma lineal. A la hora de seleccionar un sensor, los diseñadores pueden centrarse en la clasificación de resistencia a los golpes en g a escala completa; sin embargo, la cuestión más importante en cuanto a la capacidad de supervivencia es el margen mecánico: el margen físico entre el rango operativo del sensor y el punto en el que la masa de prueba alcanza sus topes mecánicos.

A medida que la vibración se aproxima a la resonancia natural del sensor, el movimiento de la masa de prueba puede amplificarse, lo que reduce el margen de seguridad disponible, incluso cuando la aceleración aplicada se mantiene dentro del rango de funcionamiento especificado.

Consideraciones sobre la precisión de los sensores frente a los impactos de alta aceleración

En aplicaciones de detección de precisión, como la monitorización industrial, los sistemas de control del estado estructural y el apoyo a la navegación, los dispositivos, tales como los acelerómetros MEMS de precisión y los sensores inerciales, se diseñan para mantener un sesgo, un factor de escala y un nivel de ruido estables a lo largo del tiempo. Aunque es posible que un evento de choque no cause daños físicos en un dispositivo, sí puede provocar cambios sutiles en su rendimiento que afecten a la precisión de las mediciones. Por consiguiente, podría ser necesario realizar una recalibración o una compensación a nivel del sistema.

Sin embargo, los acelerómetros resistentes a altas fuerzas "g" están diseñados para entornos extremos, como la monitorización de impactos, la detección de colisiones y los ensayos con municiones. Estos dispositivos están diseñados para soportar niveles de impacto muy elevados y fenómenos de aumento extremadamente rápido, en los que tanto la aceleración máxima como la tasa de variación de la aceleración se convierten en factores críticos a tener en cuenta en el diseño.

Los acelerómetros de precisión y de alta aceleración aplican el margen mecánico de forma diferente en aplicaciones reales. Los dispositivos de precisión dan prioridad a la estabilidad del sesgo, el factor de escala y el rendimiento en cuanto al ruido tras someterse a tensiones mecánicas, mientras que los dispositivos de alta aceleración están diseñados para absorber movimientos más amplios de la masa de prueba durante impactos severos y vibraciones prolongadas.

Ese margen mecánico ayuda a explicar por qué un acelerómetro de precisión como el ADXL357B de ADI, con un rango de medición moderado de ±40 g, puede seguir resistiendo impactos mucho más intensos sin dejar de mantener su rendimiento dentro de las condiciones de funcionamiento especificadas en materia de vibraciones. La cuestión clave a la hora de elegir no es solo cuánta aceleración puede medir el dispositivo, sino cuánto movimiento interno de la masa de prueba puede tolerar antes de que se vea comprometida su precisión o fiabilidad.

ADI expresa esta relación mediante un rango de funcionamiento de vibraciones, en lugar de una cifra única de resistencia a los golpes. Los topes mecánicos y la amortiguación contribuyen a definir ese rango: los topes limitan el desplazamiento de la masa de prueba en condiciones de aceleración extrema, mientras que la amortiguación suprime las oscilaciones excesivas cerca de la resonancia. En conjunto, contribuyen a preservar la integridad de las mediciones y a reducir los impactos internos repetidos que pueden provocar fatiga o daños.

Estas características de diseño determinan, en última instancia, el rango de vibraciones admisibles durante el funcionamiento del sensor. Por ejemplo, el ADXL357B está diseñado con una «zona de seguridad de funcionamiento ante vibraciones», es decir, el rango de condiciones de vibración en el que un sensor MEMS sigue funcionando con precisión sin que la masa de prueba entre en contacto con sus topes mecánicos (Figura 2).

Figura 2: Ilustración de la zona de seguridad de funcionamiento ante vibraciones del ADXL357B. El margen mecánico disminuye cerca de la resonancia, lo que pone de relieve la importancia de la amortiguación en el diseño de los sensores. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Según ADI, el sensor puede soportar vibraciones aleatorias continuas con amplitudes máximas de hasta 70 g en el ancho de banda operativo comprendido entre 0 Hz y 2 kHz. Esta especificación refleja el margen mecánico disponible del sensor, lo que pone de manifiesto que su margen operativo útil no solo depende de la aceleración máxima, sino también de la frecuencia y las características espectrales de la vibración.

Esta distinción también explica por qué los índices de impacto, por sí solos, pueden resultar engañosos. Por ejemplo, los modelos ADXL357B y ADXL380, a pesar de sus rangos de medición relativamente bajos de ±40 g y ±16 g, comparten la misma capacidad de resistencia a impactos mecánicos de 10,000 g que el modelo ADXL373 de alta sensibilidad (±400 g). Sin embargo, una resistencia a los golpes idéntica no implica una tolerancia a las vibraciones idéntica. Dado que el ADXL373 cuenta con un margen mecánico considerablemente mayor, puede soportar movimientos de la masa de prueba mucho más amplios antes de alcanzar sus límites mecánicos, lo que lo hace intrínsecamente más resistente a entornos con vibraciones prolongadas o de alta energía.

Los sensores más recientes, como el ADXL380, utilizan filtros ecualizadores digitales para ampliar su ancho de banda eléctrico hasta los 4 kHz. Sin embargo, aunque el filtrado digital puede mejorar la información que transmite el sensor, no puede modificar lo que este percibe desde el punto de vista mecánico. Un dispositivo puede soportar un impacto de alta aceleración, transmitir datos con precisión en un amplio ancho de banda y, aun así, verse expuesto a riesgos de fiabilidad si una vibración prolongada lleva a la masa de prueba al límite de sus capacidades mecánicas.

Conclusión

Aunque no todas las aplicaciones de MEMS requieren una capacidad de supervivencia que vaya más allá de las condiciones básicas de manejo, sí es el caso de muchos sistemas de alta fiabilidad y alta dinámica. En esos entornos, la verdadera capacidad de supervivencia no se define simplemente por el hecho de que un sensor permanezca físicamente intacto tras un incidente, sino por si sigue cumpliendo sus requisitos de rendimiento una vez finalizado dicho incidente. El enfoque de ADI en los límites operativos de vibración ofrece a los diseñadores una visión más detallada de cómo el sensor, el encapsulado y la arquitectura del producto resisten el entorno mecánico real a lo largo del tiempo.