Aplicaciones de los sensores inerciales

Rigoberto Martínez Méndez

Santa Cruz Bolivia, marzo 2016

¿Qué son los MEMS?

• MEMS = MicroElectroMechanical Systems (Sistemas MicroElectroMecánicos)

• Dispositivos o grupos de dispositivos miniaturizados que pueden integrar tanto componentes eléctricos como mecánicos.

• Pueden combinar componentes a nano, micro- y mili-escala.

http://medicaldesign.com/electrical-components/Eclipteckfinger.jpg

http://www.compadre.org/Informal/images/features/MEMS.jpg

Historia de los sensores MEMS

• 1947 Nacimiento del transistor • 1958 Primer circuito integrado • 1974 Primer micro sensor (sensor de presión)

National semiconductors • 1982 Concepción del “micromaquinado”

(sensores de aceleración, presión) • 1987 Se populariza el uso de la palabra MEMS • 1988 Se prueban técnicas de fabricación de

mecanismos (uniones, control de movimiento, engranes, etc.) en silicio

Métodos de fabricación

• Micromaquinado en masa

• Micromaquinado de superficie

Imágenes de: http://www.memsnet.org/mems/fabrication.html

Métodos de fabricación

• Wafer bondig (Adhesión de

obleas)

• LIGA (Lithographie Galvanoformung Adformung)

Imágenes de: http://www.memsnet.org/mems/fabrication.html

Imágenes de: http://www.memsnet.org/mems/fabrication.html

Principales dispositivos MEMS

• Implantes

• Sensores

– Presión

– Aceleración

– Velocidad angular

• Inductores y capacitores ajustables para circuitos de RF.

– Osciladores de alta velocidad y precisión

Sensores inerciales

¿Qué son los sensores inerciales?

• Un dispositivo que usa la inercia para obtener una medida.

Inercia: La tendencia de un objeto a resistir cualquier cambio en su movimiento.

•Acelerómetros

•Giroscopios (sensores de velocidad angular)

http://yg.typepad.com/majorstudio2/2007/02/index.html

http://yg.typepad.com/majorstudio2/2007/02/index.html

http://physics.tutorvista.com/motion/inertia.html

Acelerómetro

xkma

http://zone.ni.com/devzone/cda/ph/p/id/12

maF

xkF m

xka

Acelerómetro

•Sensibles a aceleración dinámica y estática •Sólo un eje de medición

Giroscópio Proporciona una medición de la velocidad angular por medio de la Fuerza de Coriolis

Fuerza de Coriolis: Cuando un objeto se encuentra moviéndose de cierto modo (girando u oscilando ) Una rotación del objeto en un plano ortogonal a su movimiento periódico causará una fuerza traslacional en la otra dirección ortogonal

Lo básico

• Acelerómetro – Salida en g (“gravedades”)

• g/mv o g/bit

– Se puede obtener la velocidad y la posición • Posición = ∫(Velocidad) = ∫ ∫(aceleración)

– Por medio de translación geométrica se puede obtener la inclinación • Ángulo = arcsin(g)

• Giroscopio – Salida de velocidad angular en Grados/segundo

• °/s/mv o °/s/bit

• El ángulo se puede obtener de la integración

Más allá de lo básico

• Para tener éxito en el diseño e implementación se debe tomar en cuenta:

– Offset

– Ruido

– Factor de escala

– Ancho de banda, frecuencia de resonancia

– Linealidad

Más allá de lo básico

• Sin olvidar:

– Deriva por temperatura

– Variación de fuente de voltaje

– Montaje

– Efecto de vibración

– Alineación de sensores

Más allá de lo básico

• Y por supuesto

– Potencia requerida

– Tamaño

– Costo de implementación

– Tiempo de implementación

Y más allá…

Aplicaciones comunes

Industria Videojuegos y multimedia

Navegación y seguridad

Actividad y monitoreo de pacientes

•Podómetros •Cálculo de número de pasos •Cálculo de gasto energético •Tiempo •Distancia •Ritmo

Aceleración, posición e inclinación

Actividad y monitoreo de pacientes Aceleración, posición e inclinación

•Monitoreo de actividad •Reconocimiento de actividades y situaciones •Personas mayores •Tiempo de actividad •Consejos para activarse

36months, 1814812 euros

36months, 2771929 euros

Sensor de caídas

• Caidas relacionadas con la edad

• Causa principal de disminución en QOL en ancianos.

• Detección de caída y prevención de heridas

Estabilización de vehículos

http://www.youtube.com/watch?v=_E2H3obSxKw

Estabilización de robots

Monitoreo de construcciones

• HP • CeNSE (Central Nervous System for the Earth) • Acelerómetros MEMS 1000 veces más sensibles de muy bajo costo

http://www.flickr.com/photos/sanbeiji/220645446/

http://www8.hp.com/us/en/hp-information/environment/cense.html#.UhOgpJIz0_o

RCP •Cada minuto sin recibir RPC aumenta un 10% la probabilidad de muerte. •Durante la administración del RCP son de suma importancia la fuerza, el ritmo y la posición.

Análisis de marcha •Mínimamente obstrusivo •Inmune a campos electromagnéticos •Inmune a cambio de iluminación •Amplio campo de acción

Análisis de movimientos

Desempeño de atletas

Energías renovables

http://www.youtube.com/watch?v=Dp0JpqU7uwM http://www.solar-mems.com/en/

Imagenología

Estabilización de imágenes y sistemas mecánicos

Prótesis y FES

Posición de pacientes inmovilizados

Prevención de neumonía por aspiración

Ulceras por presión

Navegación quirúrgica

•Guía para navegación •Reducción de temblor •Retroalimentación •Redundancia

Cirugía ortopédica

Alineación •30% de las TKA resultan con algún grado de desalineación •20% de la revisiones de TKA son a causa de desalineaciones. •Un mal alineamiento causa dolores, daños posteriores y malestar.

Futuro de los sensores inerciales

•Disminución de precios •Aumento de precisión y rangos de medición •Reducción de consumo de potencia •Omnipresencia

Y a ti, ¿qué se te ocurre hacer con los sensores inerciales?

http://fi.uaemex.mx/mci/MCI/

¡Gracias!

http://dsyc.uaemex.mx/web/

rigo@ieee.org