Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar •...
Transcript of Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar •...
![Page 1: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/1.jpg)
Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I)
Antonio Luque Estepa
Dpto. Ingeniería Electrónica
Prácticas de Microsistemas
![Page 2: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/2.jpg)
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Más información
![Page 3: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/3.jpg)
Introducción
• Diseño de un acelerómetro capacitivo
• Proceso de diseño completo:– Cálculo de dimensiones y parámetros
– Simulación del comportamiento– Dibujo de máscaras– Verificación de reglas de diseño
![Page 4: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/4.jpg)
Funcionamiento general
• La aceleración provoca un movimiento en el sensor
• El movimiento provoca un cambio en la capacidad de dos condensadores
• El circuito hace que cambie la tensión de salida
![Page 5: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/5.jpg)
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Más información
![Page 6: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/6.jpg)
Modelo del acelerómetro
![Page 7: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/7.jpg)
Modelo matemático
Aceleración del marco de referencia (sistema no inercial) equivale a una fuerza sobre la masa en el marco fijo
donde a es la aceleración que se desea medir
![Page 8: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/8.jpg)
Función de transferencia
Nos interesa el funcionamiento cuasi-estático (s=0)
![Page 9: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/9.jpg)
Función de transferencia
Frecuencia natural
Factor de calidad
![Page 10: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/10.jpg)
Función de transferencia
Frecuencia natural
Factor de calidad
Ejemplo
Un acelerómetro de 50gy ω
0=24.7kHz
tendría un desplazamientode la masa de 20nm
![Page 11: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/11.jpg)
Ruido intrínsecoRuido debido a la amortiguación browniana, en una banda de 1Hz
Aceleración producida por el ruido, en valor rms
Otras fuentes de ruido:
- Amplificación electrónica- Estructuras adicionales- Fallos de calibración- Drift
![Page 12: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/12.jpg)
Sensores capacitivos
Vamos a medir el desplazamiento mediante un cambio en la capacidad.
Tengamos dos electrodos fijos y uno móvil:
![Page 13: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/13.jpg)
Medida de la capacidad
Amplificador de transimpedancia
![Page 14: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/14.jpg)
Medida de la capacidadRealimentación capacitiva
Capacidades conmutadas
Seguidor de tensión
![Page 15: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/15.jpg)
Estructura del acelerómetroCombinación de varios sensores capacitivos.Estructura en “peine”
![Page 16: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/16.jpg)
Deformación de una viga
Con E módulo de Young (propiedad del material), W ancho, H espesor, y L longitud total.
Viga apoyada en los extremos, con fuerza aplicada en el centro
¡OJO! En el acelerómetro hay dos vigas que sostienen a la masa (con efecto sobre la k total)
![Page 17: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/17.jpg)
Modelo completo
![Page 18: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/18.jpg)
Modelo completo
Eje X
Eje Y
![Page 19: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/19.jpg)
Modelo completo
Eje Z
![Page 20: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/20.jpg)
Modelo completo
Mecánica
Adaptación de señal
![Page 21: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/21.jpg)
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Más información
![Page 22: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/22.jpg)
EspecificacionesSensibilidad
Fondo de escala (rango). Limitado por el margen de movimiento de los electrodos y por la rotura de las vigas
Ancho de banda
![Page 23: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/23.jpg)
Tamaño
Acelerómetros
Electrónica(1x8 mm)
Pads (1mm)
![Page 24: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/24.jpg)
Criterios de diseño
• Optimización– Económica
– En espacio– De las características
• Cualquier decisión de diseño debe justificarse
• Siempre cumpliendo las especificaciones mínimas
![Page 25: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/25.jpg)
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
![Page 26: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/26.jpg)
Documentación a entregar• Breve memoria del proceso de diseño
• Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS
• Resultado del DRC
• Presupuestos para 1, 1000 y 1000000 uds., con varias en el mismo chip, si caben
• Hoja de características: dimensiones, sensibilidad, rango, frecuencia de resonancia y ancho de banda.
![Page 27: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/27.jpg)
Datos disponibles
• Espesores de las capas de PolyMUMPS y máscaras que las generan
• Propiedades de los materiales: densidad, módulo de Young, resistividad, tensión de rotura
• Reglas de diseño y dimensiones mínimas
• No todos los datos y procesos son necesarios
![Page 28: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/28.jpg)
Datos disponibles
• Modelos Simulink de acelerómetros comerciales ADXL202, ADXL203, ADXL311 y ADXL320
• Disponibles en www.analog.com y en la web de la asignatura
![Page 29: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/29.jpg)
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Más información
![Page 30: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/30.jpg)
Acelerómetros existentes
![Page 31: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/31.jpg)
Acelerómetros existentes
![Page 32: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/32.jpg)
Acelerómetros existentes
![Page 33: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/33.jpg)
Acelerómetros existentes
![Page 34: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/34.jpg)
Acelerómetros existentes
![Page 36: Diseño de un acelerómetro en PolyMUMPS (I) · 2012. 4. 19. · Documentación a entregar • Breve memoria del proceso de diseño • Máscaras para PolyMUMPS en formato TDB o GDS](https://reader035.fdocuments.es/reader035/viewer/2022071605/6141c0fbd64cc55ff0755f54/html5/thumbnails/36.jpg)
Bibliografía
• Marc J. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, 1997
• N. Yazdi et al., “Micromachined inertial sensors”, Proc. IEEE, vol. 86, pp. 1640-1659, 1998
• Stephen D. Senturia, Microsystem design, Kluwer Academic, 2001