Diseño del sistema acelerómetro triaxial subamortiguado MEMS de baja potencia en simultáneo al control de amortiguamiento electrostático en la Universidad Nacional San Luis Gonzaga - Lazo Garcia Freddy Hernan (2025)
En los últimos tiempos, la industria de la electrónica de consumo ha conocido un crecimiento espectacular que no habría sido posible sin ampliar cada vez más la barrera de la integración. Los sensores de inercia de Sistemas Microelectromecánicos (MEMS) ofrecen soluciones de alto rendimiento, bajo consumo y bajo costo de matriz y, en la actualidad, están integrados en la mayoría de las aplicaciones de consumo. Además, la fusión de sensores se ha convertido en una nueva tendencia y los sensores combinados están ganando cada vez más popularidad desde que la cointegración de un acelerómetro triaxial MEMS y un giroscopio triaxial MEMS proporciona información de navegación completa. El dispositivo resultante es una unidad de medida inercial capaz de detectar múltiples grados de libertad. Sin embargo, el rendimiento de los acelerómetros y los giroscopios está condicionado por la presión de la cavidad MEMS: el acelerómetro suele ser un sistema amortiguado que funciona bajo presión atmosférica, mientras que el giroscopio es un sistema altamente resonante. Por lo tanto, para concebir un sensor combinado, se requiere una presión de cavidad baja única. La integración de ambos transductores dentro de la misma cavidad de baja presión requiere un método para controlar y reducir los fenómenos aumentando el factor de amortiguamiento del acelerómetro MEMS. En consecuencia, el objetivo de la tesis es el diseño de una interfaz frontal analógica capaz de detectar y controlar un acelerómetro triaxial MEMS subamortiguado. Esta tesis propone una novedosa interfaz de acelerómetro de lazo cerrado, el cual logra un bajo consumo de energía. El diseño consiste en encontrar un equilibrio entre la frecuencia de muestreo, el tiempo de estabilización y la complejidad del circuito, ya que las placas de excitación del sensor se multiplexan entre las fases de medición y amortiguamiento. En este contexto, se ha concebido una secuencia de amortiguación patentada (amortiguación simultánea) para mejorar la eficiencia de amortiguación sobre el mejoramiento del enfoque del estado del arte. Para investigar la viabilidad de la nueva arquitectura de control de amortiguación electrostática, se han desarrollado varios modelos matemáticos y se utiliza el método del tiempo de sedimentación para evaluar la eficiencia de amortiguación. Además, se ha desarrollado un nuevo xii método que utiliza la teoría de procesamiento de señales multitasa y permite el estudio de la estabilidad del sistema. Este mismo método se utiliza para concluir sobre la estabilidad del bucle para una determinada frecuencia de muestreo y valor de ganancia del bucle. Se diseña una implementación CMOS de toda la cadena de señales del acelerómetro. El funcionamiento ha sido validado y el bloque puede integrarse aún más dentro de un ASIC. Finalmente, se diseña un sistema de componentes discretos para validar experimentalmente el enfoque de amortiguamiento simultáneo.