Acelerómetros MEMS

Los acelerómetros de tipo capacitivo se basan en los cambios de capacitancia en la masa sísmica bajo aceleración y son la tecnología más común utilizada para acelerómetros en la actualidad. Estos acelerómetros emplean la tecnología de fabricación de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), la cual puede aportar economía de escala a aplicaciones de gran volumen y, por lo tanto, un menor costo de fabricación. Una característica inherente a todos los dispositivos capacitivos es su reloj interno. La frecuencia del reloj (~500 kHz) es una parte integral del circuito de detección de corriente, que se encuentra presente invariablemente en la señal de salida debido a fugas internas. El ruido de alta frecuencia puede estar fuera del rango de interés de la medición de aceleración, pero siempre está presente con la señal. Debido a su amplificador o IC incorporado, su interfaz eléctrica de 3 cables (o 4 cables para salida diferencial) es sencilla y solo requiere una fuente de voltaje de CC estable para alimentarse.

El ancho de banda de un acelerómetro capacitivo se limita en su mayoría a pocos cientos de hercios, aunque algunos diseños son de hasta 1,500 Hz, en parte debido a su forma y su fuerte amortiguador de gas. La estructura capacitiva del sensor es ideal para el rango inferior de medición de la aceleración. Por lo general, el rango máximo está limitado a menos de 200 g. Los acelerómetros capacitivos modernos, sobre todo los dispositivos de grado instrumental, cuentan con buena linealidad y alta estabilidad de salida.

Los acelerómetros de tipo capacitivo son los ideales para aplicaciones de monitoreo a bordo en las que el costo puede ser el factor determinante. Son ideales para medir el movimiento de frecuencia baja en el que el nivel g también es bajo, como las mediciones de vibraciones en la ingeniería civil.

La otra tecnología de sensores que se suele utilizar para acelerómetros de respuesta de CC es la piezorresistiva. En lugar de detectar los cambios de capacitancia en la masa sísmica (como en un dispositivo capacitivo), un acelerómetro piezorresistivo produce cambios de resistencia en las galgas extensométricas que forman parte del sistema sísmico del acelerómetro. Los resultados de la mayoría de los diseños piezorresistivos son, en mayor parte, sensibles a la variación de temperatura. Es necesario aplicar de forma interna o externa una compensación de temperatura a los resultados. Los acelerómetros piezorresistivos modernos incorporan ASIC para todas las formas de acondicionamiento de señales a bordo, así como para la compensación de temperatura in situ.

El ancho de banda de los acelerómetros piezorresistivos puede superar los 7,000 Hz. Muchos de los diseños piezorresistivos están amortiguados por gas (los tipos MEMS) o por fluido (los tipos de galgas extensométricas adheridas). Las características del amortiguador pueden ser un factor importante al elegir un acelerómetro. En aplicaciones en las que es posible que la entrada mecánica contenga una entrada de frecuencia muy alta (o excite una respuesta de frecuencia alta), un acelerómetro amortiguado puede evitar que el sensor timbre (resonancia) y preservar o mejorar el rango dinámico. Debido a que la salida del sensor piezorresistivo es diferencial y puramente resistiva, el rendimiento señal-ruido es, en mayor parte, excepcional, y su rango dinámico está limitado solo por la calidad del amplificador de puente de CC. Para mediciones de choque de g muy altas, algunos diseños piezorresistivos pueden tolerar niveles de aceleración muy por encima de los 10,000 g.

Debido a su capacidad de ancho de banda más amplio, los acelerómetros de tipo piezorresistivo son ideales para mediciones de impulso o impacto donde el rango de frecuencia y el nivel g son, por lo general, altos. Como es un dispositivo de respuesta de CC, se puede derivar con precisión la información deseada sobre la velocidad y el desplazamiento a partir del resultado de la aceleración, sin errores de integración. Los acelerómetros piezorresistivos suelen utilizarse en pruebas de seguridad automotriz y de armas, y en mediciones de choque en un rango superior al utilizable de los acelerómetros VC.