CARACTERIZACIÓN DE SISTEMAS ACONDICIONADORES DE SEÑAL PARA SENSORES MEMS DE REACTANCIA VARIABLE

Sosa Torres Miguel Ángel, Navarro Alvarado José Marcos, Montiel Uribe Rodrigo, Heber Bernabe Perez Marquez

Centro de Investigación y Diseño en Micro y Nano Tecnología (CIDEMyNT), Departamento de ElectrónicaInstituto Tecnológico superior de Irapuato

Km. 12.5 Carretera Irapuato-Silao, Irapuato, Gto. 36821, MéxicoTel. (462)6067900, correo electrónico: misosa@itesi.edu.mx, jonavarro@itesi.edu.mx, romontiel@itesi.edu.mx,

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RESUMEN

Se presenta la caracterización de un circuito acondicionador para sensores MEMS de reactancia variable. También se describen las consideraciones que se deben de tomar para la realización de dichos sistemas con respecto a las características eléctricas de sus dispositivos. Se dá una breve descripción de los sensores MEMS de tipo capacitivo.

Palabras clave: Reactancia capacitiva, Sensor capacitivo MEMS, Respuesta a la capacitancia.

I. INTRODUCCIÓN

La caracterización de sistemas de acondicionamiento es el conjunto de elementos de un sistema, estos surgen a partir de un sistema de medida, que producen de su señal de salida, una señal apta para ser presentada o bien que permitirá un procesamiento de señal posterior mediante un equipo o instrumento estándar. El Acondicionamiento de señal ofrece muchas ventajas de mejoras sobre los circuitos, como lo son la amplificación, el filtrado y la modulación ó demodulación de la señal con que se trabaja.

Un sistema de medición consiste de un elemento sensor, un acondicionador de señal y un sistema de visualización. El elemento sensor es aquel dispositivo donde un cambio en la variable física proporciona un cambio de una propiedad eléctrica. El acondicionador de señal es aquel elemento que se encarga de convertir ese cambio de una propiedad eléctrica a un cambio de una señal eléctrica, de tipo y magnitud adecuada para el elemento de visualización. El elemento de visualización se encarga de que esa señal eléctrica proveniente del acondicionador de señal sea entendible para un operador o para un sistema de control. A continuación, se observa un diagrama de sistemas de medición:

FIGURA 1. Diagrama general de un sistema de medida y control 1

Sistemas de medidaSe denomina sistema a la combinación de dos o

más elementos, subconjuntos y partes necesarias para realizar una o varias funciones. En los sistemas de medida, esta función es la asignación objetiva y empírica de un número a una propiedad o cualidad de un objeto o evento, de tal forma que la describa. Es decir el resultado de la medida debe ser: independiente del observador (objetiva), basada en la experimentación (empírica), y de tal forma que existe una correspondencia entre las relaciones numéricas y las relaciones entre las propiedades descritas.1

Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son los elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal de salida un sensor electrónico, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permitirá un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estándar. Consiste normalmente en circuitos electrónicos que ofrecen entre otras funciones, las siguientes:

Amplificación Filtrado Adaptación de Impedancias Modulación o Demodulación.

FIGURA 1 Sistema de Acondicionamiento de señal para un sensor desde el punto de vista eléctrico1

Acondicionamiento de señales Difícilmente un diseñador conecta un

transductor directamente y la parte de procesamiento o de despliegue de un sistema, ya que la señal que nos envía nuestro transductor por lo general es muy débil o contiene ruido y componentes que no deseamos, por eso se realizan etapas de acondicionamiento de señales.

FIGURA 3. Etapas del acondicionamiento de señal2

Importante: El circuito de acondicionamiento puede proporcionar una impedancia de entrada adecuada para no demandar mucha corriente al transductor3.

II Método

Un condensador eléctrico consiste en 2 conductores separados por un dieléctrico (sólido, líquido y gaseoso), o el vacío. La relación entre la carga, Q, y la diferencia de potencial, V, entre ellos viene descrita por su capacidad, C= Q/V. Esta capacidad depende de la disposición geométrica de los conductores y del material dieléctrico dispuesto entre ellos.

Para un condensador formado por n placas planas paralelas iguales, con área A, distancia d entre cada par, y un material entre ellas con constante dieléctrica relativa r, la capacidad aproximada es:

C = 0 r A/d (n-1) Ecuación 1

Donde 0 = 8.85 pF/m es la constante dieléctrica del vacío.

FIGURA 4 Capacitor de placas paralelas1

Así pues, cualquier fenómeno o magnitud que produzca una variación en r, A o d, provocará un cambio en la capacidad C, y en principio puede ser detectado mediante el dispositivo anterior. En general cualquier cambio en el dieléctrico o en la geometría puede ser considerado para la detección del fenómeno que lo provoca.

Los sensores capacitivos no son lineales o no lineales en sí mismos. Su linealidad depende del parámetro que varía y de si se mide la admitancia o la impedancia del condensador. En un condensador plano, la salida es lineal si se mide la admitancia, pero no es lineal si se varía la separación entre placas, para esto se tiene la relación:

Ecuación 2

Dónde . Una alternativa para tener una

salida lineal en un sensor capacitivo plano basado en una variación de la distancia entre placas, es medir, en vez de su admitancia, su impedancia:

Ecuación 3

El empleo de condensadores diferenciales, permite también obtener una salida lineal con el parámetro que se detecta. Una última consideración relativa a las limitaciones de los

sensores capacitivos es su alta impedancia de salida. Si bien la impedancia decrece cuanto mayor sea la frecuencia de alimentación, la impedancia de las capacidades parásitas también decrece al aumentar su frecuencia. Una solución es poner la electrónica de acondicionamiento de señal cerca. Frente a sus limitaciones, los sensores capacitivos presentan una serie de ventajas que los hacen atractivos en muchas aplicaciones: como sensores de desplazamiento tienen un error por carga mecánica mínimo, al no haber contacto mecánico directo, no hay errores de fricción ni de histéresis y no hay que hacer mucha fuerza para desplazar al elemento móvil1.

Los sensores capacitivos son a menudo utilizados exitosamente en las aplicaciones que no pueden ser resueltas por otras técnicas de sensado.Estos responden a un cambio de dieléctrico en el medio que rodea la zona activa y, por medio de la regulación incorporada, permite sensar prácticamente cualquier sustancia. Además pueden detectar materiales a través de paredes de vidrio, plástico o láminas de cartón.

Los sensores capacitivos como su nombre indica, estos sensores están basados en la detección de un cambio en la capacidad inducido por una superficie que se lleva cerca del elemento sensor. Son diseñados normalmente con platos paralelos con electrodos porosos o con filamentos entrelazados en el sustrato. El material dieléctrico absorbe o elimina vapor de agua del ambiente con los cambios del nivel de humedad. Los cambios resultantes en la constante dieléctrica causa una variación en el valor de la capacidad del dispositivo por lo que resulta una impedancia que varía con la humedad. Esto permite a el vapor de agua entrar y salir fácilmente y el secado rápido para la sencilla calibración del sensor.

El elemento sensor es un condensador constituido por un electrodo sensible y un electrodo de referencia. Estos electrodos pueden ser, por ejemplo, un disco y un anillo metálicos separados por un material dieléctrico. Una cavidad de aire seco se suele colocar detrás del elemento capacitivo para proporcionar aislamiento. El resto

del sensor está constituido por circuitos electrónicos que pueden incluirse como una parte integral de la unidad, en cuyo caso suelen estar embebidos en una resina para proporcionar soporte mecánico y sellado.

La figura 5 muestra un diagrama esquemático de un capacitor MEMS. Consiste de dos placas móviles con una capa dieléctrica en la parte superior de la placa inferior.

Figura 5. Diagrama esquemático de un capacitor MEMS.

Los capacitores MEMS de este tipo con dimensiones de alrededor de 1000 µm tienen sus capacitancias alrededor de 10 pF, dependiendo de las distancias de separación entre las placas.

Un circuito propuesto para realizar las mediciones del sensor capacitivo, es el siguiente:

R1

1kΩ

U1

LM301AN

3

2

4

7

6

51

8

0

C1

10pF

C2

17pF

1

6

Figura 6. Circuito acondicionador de reactancia variable.

Para este circuito se debe de considerar las siguientes características eléctricas del amplificador operacional4:

Inmunidad al ruidoAlta gananciaAncho de bandaAlimentación de voltajeNivel de offset de entrada de voltaje o corriente

Se realizaron simulaciones con el circuito de la figura 6, utilizando el software NI Multisim 10, utilizando un voltaje de entrada senoidal de 1 Vp con el cual se caracterizo el circuito para diferentes valores de la frecuencia de entrada y diferentes valores del capacitor de retroalimentación, para con esto cambiar la reactancia de este y determinar a qué frecuencias responde mejor el diseño.

Y el circuito en la simulación con el software NI Multisim 10

XFG1

0

V112 V

V212 V

R1

1kΩ

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

0

00

U1

LM301AN

3

2

4

7

6

51

8

2

3

0

C1

10pF

C2

17pF

61

5

Figura 7. Simulación del circuito de reactancia variable.

En el se observa que la señal de entrada está conectada al canal A del osciloscopio y la salida al canal B de este mismo.

Se muestra una gráfica de la simulación hecha con el valor de C2 de 17 pF y una frecuencia de entrada de 100 Hz, y la tabla contiene el recorrido en la frecuencia.

Figura 8. Graficas como resultado de la simulación a 100 Hz y Cx=17 pF.

Las siguientes tablas muestran un recorrido en frecuencia con estos valores de reactancia y voltaje de entrada. Se obtiene el valor del voltaje de salida, tomando en cuenta que esta anulado el offset de salida en la medición.

Frec (Hz)

Vin (Vp) C2 (pF) Vout (Vp)

10 1 17 1.25 u100 1 17 12.5 u1000 1 17 125 u10k 1 17 1.25 m100K 1 17 12.5 m1 M 1 17 92 m10 M 1 17 125 m

Con estos datos, nos damos cuenta que se obtiene mayor respuesta de salida a frecuencias altas.

Las siguientes figuras muestran un recorrido ahora de la reactancia con diferentes valores de frecuencia en el voltaje de entrada. Se obtiene el valor del voltaje de salida, tomando en cuenta que esta anulado el offset de salida en la medición.

Figura 9. Respuesta a la capacitancia para un valor de R=1KΩ.

De acuerdo con los resultados obtenidos, se observa que el circuito responde mejor a las frecuencias de 1 y 10 MHz, ya el voltaje de salida varía 30 mVp en ambas frecuencias cuando el valor del capacitor de retroalimentación varía de 10 pF a 200 pF.

Figura 10. Respuesta a la capacitancia para R=10KΩ.

Ahora con el valor de la resistencia de 10 KΩ, se obtiene una mejor respuesta del circuito a cambios del capacitor a una frecuencia de 1MHz, ya que el voltaje de salida cambia de 750 mVp a 80 mVp cuando el capacitor varía de 10 pF a 200 pF.

Frec (Hz)

Vin (Vp) C2 (pF) Vout (Vp)

10 1 50 1.3 u100 1 50 13 u1000 1 50 130 u10k 1 50 1.3 m100K 1 50 13 m1 M 1 50 90 m10 M 1 50 110 m

Frec (Hz)

Vin (Vp) C2 (pF) Vout (Vp)

10 1 100 1.3 u100 1 100 13 u1000 1 100 130 u10k 1 100 1.3 m100K 1 100 14 m1 M 1 100 80 m10 M 1 100 110 m

Figura 11. Respuesta a la capacitancia para R=100KΩ.

Ahora con el valor de la resistencia de 100 KΩ, se obtiene una mejor respuesta del circuito a cambios del capacitor a una frecuencia de 100KHz, ya que el voltaje de salida cambia de 1.1 Vp a 100 mVp cuando el capacitor varía de 10 pF a 200 pF.

II. CONCLUSIONES

Debido a que los cambios en la salida del circuito acondicionador son muy reducidos, ya que se obtienen variaciones de micro Volts o mili Volts hasta volts en altas frecuencias, se debe de tener cuidado con utilizar amplificadores operacionales que sean inmunes al ruido y además tengan un ancho de banda amplio para un mejor desempeño del circuito.

Otra de las observaciones que se deben de tener presente, es que los cables que inyectan la señal de entrada deben de estar “apantallados” a tierra así como la salida de estos, con el fin de evitar la introducción de señales no deseadas.

En este trabajo, se realizaron las simulaciones con 3 valores diferentes de resistencia de polarización, tratando de abarcar un rango amplio de valores que son los más utilizados en los circuitos.

En el diseño presentado, se pretende utilizar a cualquier sensor MEMS de tipo capacitivo, independientemente de la forma o estructura que este fabricado. La única consideración que se debe de tener es que sea del orden de los pico-Farads.

Referencias

[1] Sensores y acondicionadores de señal, 4ª. Edición. Ramón Pallás Areny

[2] digital.ni.com / worldwide/Acondicionamiento Fecha de consulta: 7 de Mayo del 2009.

[3] Maher Bakri-Kassem and Raafat R. Mansour. A Wide Tuning Range MEMS Variable Capacitor. University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada. CWMEMS Abstract.

[4] Quad Precision Op Amp (LT1014), Dual Precision Op Amp (LT1013) Datasheet, Linear Technology en http://www.linear-tech.com/prod/datasheet.html?datasheet=155