Antonio Javier Rivas Rodríguez

II SIMPOSIO DE BECARIOS Y EX
BECARIOS DEL CONACyT
Edición Europa
29 y 30 de noviembre 2012
Parlamento Europeo, Estrasburgo, Francia
Título de la Ponencia:
Desarrollo de un Sensor de Aceleración MEMS
Ponente:
M. en C. Antonio Javier Rivas Rodríguez
Estudiante de doctorado en:
II Simposio de Becarios y Ex Becarios del CONACyT, Edición Europa
Desarrollo de un Sensor de Aceleración MEMS
El desarrollo de un sensor de aceleración MEMS (Micro Electro Mechanical Systems en
inglés) forma parte de un proyecto realizado por el Instituto de Circuitos Analógicos y
Sistemas de Radiofrecuencia de la RWTH Aachen University en Alemania.
El propósito de este proyecto es el de crear un sistema de monitoreo del tráfico vehicular en
las autopistas alemanas (Autobahn) que mida las velocidades de los vehículos, los clasifique
de acuerdo a su tipo y pueda proporcionar alertas sobre congestionamientos o accidentes.
Para ello, se tiene la propuesta de colocar un arreglo matricial de sensores de aceleración (en
color amarillo, Fig. 1) dentro de una cubierta que será puesta sobre el asfalto. La cubierta
brindará protección a los sensores contra la presión ejercida por los vehículos sobre ellos, a la
vez de suministrarles energía por medio de diminutas celdas solares.
La detección de la velocidad y clasificación de los vehículos será por medio de las vibraciones
que éstos causan sobre el pavimento, y cuyas amplitudes están estimadas en un rango de 1 a
10 mg1. El sensor también incluirá un circuito para transmitir la información a una base
situada a un lado de la carretera. Esta base analizará la información recibida y calculará con
ella los datos requeridos.
Figura 1. Idea conceptual del proyecto.
Dentro de este proyecto, la tesis de doctorado se centra en el diseño de los componentes
mecánicos y de los circuitos electrónicos del sensor de aceleración, así como el verificar que
sea funcional después de su fabricación.
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1 mg = 9.81 mm/s 2 que es una aceleración mil veces menor a la aceleración debida a la fuerza de gravedad.
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Al final, el sensor deberá ser capaz de detectar las pequeñas vibraciones producidas en el
asfalto debido al paso de los vehículos y poder transmitirlas a un detector para su posterior
análisis.
Los requisitos de diseño para el sensor son los siguientes:

Bajo costo de fabricación,

Basado en la tecnología MEMS,

Sensibilidad: mili-g’s (mg),

Para operación principalmente en las carreteras,

Consideración de las diversas condiciones climáticas en las carreteras tanto para la
vida útil del sensor como para la señal de salida,

Suministro de energía por medio de pequeñas celdas solares,

Arreglo matricial de sensores,

Tiempo de vida de los sensores de 10 años, aproximadamente.
El uso de la tecnología MEMS es requisito indispensable para el proyecto, ya que permite
crear sensores en escalas micrométricas2, siendo muy útiles para sistemas poco invasivos,
además de ser muy confiables, precisos y de bajo consumo de energía.
Por ello, con esta tecnología es posible crear una matriz de sensores sobre el asfalto sin
requerir grandes inversiones de dinero como en otros sistemas de monitoreo vehicular, como
son los detectores inductivos o los procesadores de imágenes [3].
Además, los sensores de aceleración MEMS han demostrado poder llegar a sensibilidades
alrededor de los mili-g [4]. Ejemplo de ello son los acelerómetros capacitivos y los de efecto
túnel, donde estos últimos incluso llegan a las micro-g [5] o un millón de veces menor a la
fuerza de gravedad.
Un primer modelo (Fig. 2, 3) del sensor ya ha sido diseñado y fabricado basado en el proceso
MEMSSOI 60 μm S.O.I. H.A.R.M. de la compañía Tronics Microsystems3 con el objetivo de
adquirir experiencia en el proceso de diseño de MEMS, así como de conocer las limitantes
2
Un micrómetro es un millón de veces más pequeño que un metro (1 µm = 1x10-6 m).
Este proceso se contrató a través del sistema EUROPRACTICE, que es un servicio que se ofrece a las
universidades europeas para fabricar circuitos integrados sin fines de lucro a precios reducidos.
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que tienen estas herramientas. Se seleccionó este proceso en particular porque de acuerdo a la
información proporcionada por Tronics Microsystems, está enfocado en la fabricación de
sensores inerciales de gran sensibilidad, como el que se requiere para este proyecto.
Como desventaja tiene la incapacidad de fabricar sensores que midan aceleraciones fuera del
plano donde se encuentran y que justamente son las que aceleraciones se requieren detectar.
Esta limitante fue resuelta, diseñando un sensor horizontal (Fig. 2) y rotándolo 90° al ser
colocado sobre la superficie a medir (Fig. 3). Se diseñó la masa (color rojo) de tal forma que
tuviera una distancia de compensación debido a su desplazamiento por la fuerza de gravedad.
Los “dientes” de la masa y los “peines” (color amarillo) forman los capacitores C1 y C2 al ser
entrelazados, y cuya capacitancia es proporcional a la aceleración experimentada por la masa.
Figura 2. Idea conceptual del sensor de
aceleración.
Figura 3. Posición final de la masa del sensor de
aceleración al ser rotado 90°.
La señal de salida del sensor fue modelada basándose en un capacitor diferencial (Fig. 4), de
forma que, cuando la estructura se encuentre oscilando, un grupo de capacitores de la masa
en la Fig. 3 incremente su capacitancia, mientras que el otro grupo la reduzca en la misma
medida, atenuándose ambas periódicamente hasta llegar a su equilibrio estático nuevamente.
Figura 4. Esquemático de un capacitor diferencial.
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Después de adquirir experiencia en el diseño de un sensor MEMS con el proceso de la
compañía Tronics Microsystems, la siguiente fase del proyecto es determinar correctamente el
rango de vibraciones que el sensor deberá medir.
Para este fin se está usando como referencia un sensor piezoeléctrico sísmico [6] colocado
sobre el pavimento, el cual tiene una sensibilidad de 10 V/g y una resolución de 8 µg, lo que
lo hace extremadamente sensible a cualquier movimiento que se produzca en la calle.
El sensor detecta las vibraciones del pavimento al pasar un coche a una distancia determinada
y su señal de salida es capturada por un sistema de adquisición de datos a través de Matlab,
donde es analizada y las amplitudes de las vibraciones detectadas son relacionadas con la
distancia a la cual se encontraba el coche con respecto al sensor.
Estas mediciones, además de permitir definir el rango de sensibilidad del sensor a diseñar,
también permitirán definir la separación entre sensores en la matriz final, a fin de poder
detectar efectivamente cualquier vibración a lo largo y ancho de la carretera.
Se podría pensar si el sensor piezoeléctrico ya incluso excede el rango de detección deseado,
por qué no usar este tipo en lugar de diseñar uno. En primer lugar, el elevado costo de este
sensor (750 € más 1,500 € del equipo de adquisición de datos) lo hace prohibitivo para los
requisitos de bajo costo del proyecto, y en segundo lugar, no es de un tamaño compacto que
permita colocarse sobre el asfalto sin evitar hacer grandes modificaciones a éste.
Como un método para justificar el uso de los sensores MEMS, junto con el sensor
piezoeléctrico se está colocando un sensor de aceleración MEMS de bajo costo4 para
comparar ambas señales de salida.
Los resultados de este sensor fueron, que si bien no fue capaz de detectar un vehículo a baja
velocidad (hasta 50 km/h), sí lo es para detectar vehículos con velocidades superiores a los 60
km/h. Demostrando que si un sensor MEMS de uso general es capaz de detectar las
vibraciones del asfalto aunque sea de un auto a alta velocidad, un sensor MEMS dedicado a
este propósito tiene el potencial de detectar el rango de velocidades que se desea medir.
4
El sensor de aceleración MEMS empleado es el modelo ADXL327 de la compañía Analog Devices [7].
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Referencias
[1] J. Rivas, R. Wunderlich, and S. Heinen, “An Integrated Acceleration Sensor for Traffic
Condition Detection”, 9 th IEEE International Conference on Networking, Sensing and
Control, Apr. 2012 – Nominated to the Best Student Paper Award
[2] J. Rivas, R. Wunderlich, and S. Heinen, “A MEMS Acceleration Sensor for Traffic
Condition Detection”, 8 th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics & Electronics,
Jun. 2012
[3] L. A. Klein, M. K. Mills, and D. R. P. Gibson, “Traffic Detector Handbook”, 3rd ed.
Washington DC, USA: U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration,
oct 2006, vol. 1, no. FHWA-HRT-06-108.
[4] S. Patra and T. Bhattacharyya, “High sensitive surface micromachined out of plane
tunneling accelerometers with low-g resolution”, IEEE/ASME International Conference on
Advanced Intelligent Mechatronics, 2009. AIM 2009., pp. 1577-1581, Jul.2009.
[5] C. H. Liu, et. al, “Characterization of a High-Sensitivity Micromachined Tunneling
Accelerometer with Micro-g resolution”, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.
7, No. 2, pp. 235-244, Jun.1998.
[6] PCB Piezotronics, Model 393B12. Seismic, high sensitivity, ceramic shear ICP accel.,
10 V/g, 0.15 to 1 kHz, 2-pin top connector.
http://www.pcb.com/spec_sheet.asp?model=393B12
[7] Analog devices, Model ADXL327. Small, low power, 3-axis ±2 g accelerometer.
http://www.analog.com/en/mems-sensors/mems-inertial sensors/adxl327/products/product.html.