Así se acciona un airbag gracias a la microelectromecánica

Cuando usamos un teléfono móvil no nos sorprende que la imagen rote para ponerse horizontal o vertical, ni que aparezca una flecha en la aplicación de navegación diciendo cómo estamos posicionados respecto al norte. Son funciones cotidianas que la tecnología ha sabido crear mediante componentes muy precisos, poco voluminosos y de bajo consumo de energía.

Los componentes electrónicos que permiten al usuario conocer su trayectoria, su posición o su velocidad, forman parte de lo que se denomina unidad de monitorización inercial (IMU), compuesta generalmente por tres sensores: aceleración, velocidad de rotación angular y campo magnético. Cada uno de estos sensores proporciona tres componentes, con un total de nueve variables.

La característica singular que distingue a estos sensores es que tienen partes móviles y por eso se denominan sistemas microelectromecánicos o MEMS. Estas partes móviles se fabrican sobre una oblea de silicio similar a las que se utilizan para hacer los microprocesadores, usando técnicas de microfabricación y micromecanizado, siendo estas últimas las más específicas de los MEMS.

El funcionamiento

Este proceso tecnológico permite crear puentes, vigas, voladizos o membranas a escala micrométrica, mediante el depósito de una capa estructural encima de un apoyo, denominado sacrificial, que es eliminado selectivamente una vez la capa estructural ha sido depositada. Estas estructuras son capaces de moverse en una dirección determinada o de vibrar como resultado de las fuerzas a las que están sometidas.

El desplazamiento de estas partes móviles o el cambio de su frecuencia de oscilación, proporcionan la información necesaria para detectar las nueve variables inerciales.

Normalmente se usan técnicas capacitivas de detección porque la capacidad electrostática entre dos electrodos paralelos depende de la distancia entre ellos, lo que facilita la medida por medios electrónicos de su movimiento relativo. Por ejemplo, en un acelerómetro, la estructura móvil tiene forma de peine que queda entrelazado con la estructura fija, creando un condensador diferencial.

Los peines, o electrodos interdigitados, también se usan en los giróscopos para medir la velocidad angular usando la fuerza de Coriolis. En estos, se usan dos peines, uno de ellos se hace oscilar mediante una señal eléctrica en un eje (eje X) mientras que el segundo se usa como detector de la fuerza que experimenta en la dirección perpendicular (eje Y) cuando hay una velocidad angular.

Cuando ambos peines oscilan a su frecuencia de resonancia, la amplitud de la oscilación en el eje Y es directamente proporcional a la componente de la velocidad angular alrededor de un tercer eje Z, perpendicular a los anteriores.

Las aplicaciones

Estos componentes se usan en los sensores de los airbags, donde desencadenan el despliegue del globo protector cuando se detecta una aceleración peligrosa, y también en numerosas otras aplicaciones donde una técnica conocida como fusión de sensores, aplica algoritmos matemáticos para conseguir las magnitudes necesarias para el control de aplicaciones de navegación o videojuegos.

En la tecnología electrónica actual, se consigue disponer de procesadores muy sofisticados CMOS. El desafío de los dispositivos MEMS es conseguir fabricarlos de forma compatible con el proceso industrial CMOS para poder disponer de chips que combinen la sensibilidad inercial con la electrónica de proceso necesaria, sin necesidad de usar varios chips como hasta ahora.

Luis Castañer es académico de la Real Academia de Ingeniería (RAI).