Los Micro Sistemas Electromecánicos (MEMS) son una tecnología que permite el desarrollo rentable de sensores y actuadores para aplicaciones de mecatrónica. Ya varios dispositivos MEMS están en uso en los automóviles, incluidos los sensores y actuadores para el despliegue de bolsas de aire y sensores para la medición de presión de las llantas. La integración de dispositivos MEMS con circuitos CMOS de acondicionamiento de señales en el mismo chip de silicio es otro ejemplo de desarrollo de tecnologías que mejoran productos mecatrónicos, tales como el automóvil.
Los MEMS son el resultado de la integración de elementos mecánicos, sensores, actuadores y elementos electrónicos en un mismo sustrato, generalmente de silicio, de tamaño milimétrico; son una innovación en los procesos de fabricación que poseen capacidades mejoradas en comparación con los dispositivos convencionales, sobre todo en relación a las dimensiones miniaturizadas, costo, reducción de consumo de energía, desempeño, confiabilidad y fácil interconexión con múltiples sistemas, en donde la escala de todos los elementos es, por lo tanto, microscópica. Sus aplicaciones impactan una amplia gama de sectores, como el automotriz, de telecomunicaciones, informática, medicina, productos de consumo y en general aquellos que utilizan sistemas de automatización como herramienta o producto.
El silicio es el principal material utilizado para la creación de MEMS. Esto es debido a que las microtecnologías han surgido a partir de la microelectrónica y tomando sus procesos y técnicas, especialmente diseñadas para trabajar con silicio como punto de partida. Dada la necesidad actual de la humanidad de resolver problemas que puedan dar una mejor calidad de vida es vital incrementar la investigación de los MEMS. Ha surgido una variedad de nuevos productos comerciales no a causa de las bien establecidas propiedades electrónicas, sino a causa de sus óptimas propiedades mecánicas. Con el desarrollo de los MEMS empiezan a surgir herramientas de programación para simplificar el análisis y el diseño de cada uno de los elementos. Uno de los elementos fundamentales en los MEMS son los micromotores, que por su estructura micrométrica no pueden ser como los motores estándar que se conocen. Por ello se piensa que la propuesta del micromotor electrostático Combo puede satisfacer algunas de las necesidades existentes.
El debate alrededor de las ventajas de los actuadores electroestáticos con respecto a los magnéticos, especialmente en los micromotores, ha sido motivo de investigación en el área de MEMS en las últimas dos décadas. Se argumenta a favor de los dispositivos electrostáticos por los atributos de las superficies micromaquinadas. Los micromotores han fascinado a la comunidad de los MEMS; en la década de los 60 se construyó el primer motor eléctrico de solamente un 1/64 de pulgada. Actualmente se siguen desarrollando los micromotores con base en el concepto de estructura combo y combo lineal. La geometría de los elementos del micromotor combo está compuesta por dos estructuras planas rígidas y una móvil, la segunda realiza la función de estator. La microestructura tiene la forma de un peine con elementos curvos; este tipo de geometría puede ser aplicada en desplazamientos longitudinales, laterales y verticales; en este caso se aplicará en un desplazamiento lateral.
Todos los micromotores eléctricos tienen dos componentes básicos: un rotor y un estator. El rotor, que en muchos casos comprende partes movibles, contiene conductores que producen y forman un campo magnético que interactúa con el campo magnético generado por el estator. Para el análisis la micro-estructura se divide en dos partes: inercial y electrostática. La inercial está formada por las paredes laterales dentadas fija al sustrato, que impide su desplazamiento. La electrostática formada por la estructura dentada central realiza la función de estator. La posición del estator depende de la capacitancia y fuerza entre los elementos de la parte fija y los elementos de la parte móvil. El comportamiento eléctrico se modela por una red de capacitores variables formado por cada uno de los elementos de la estructura.
La tecnología de radar de onda milimétrica recientemente ha encontrado aplicaciones en automóviles. El radar de ondas milimétricas detecta la ubicación de los objetos (vehículos) en el escenario y la distancia hasta el obstáculo y la velocidad en tiempo real.
Esta tecnología proporciona la capacidad para controlar la distancia entre el vehículo y un obstáculo (u otro vehículo) mediante la integración del sensor con el control de crucero y sistemas ABS. El conductor es capaz de establecer la velocidad y la distancia deseada entre los coches de delante de él. El sistema ABS y el sistema de control de crucero están acoplados juntos para conseguir de manera segura esta capacidad notable. Una extensión lógica de la capacidad de evitar obstáculos es de baja velocidad de conducción semiautónoma, donde el vehículo mantiene una distancia constante del vehículo que va adelante en las condiciones de congestionamiento vehicular. Vehículos totalmente autónomos están dentro del alcance del desarrollo de la mecatrónica en los próximos 20 años. Apoyar las investigaciones está en marcha en muchos centros de investigación en el desarrollo de coches semiautónomos con la planificación de trayectorias reactivas que utilizan GPS basados en cambios de modelos continuos de tráfico y la automatización de stop-and-go. Un sistema propuesto de detección y control para un vehículo consiste en sistemas de posicionamiento global diferencial (DGPS), procesamiento de imágenes en tiempo real, y la planificación dinámica de ruta de acceso.
Los futuros sistemas mecatrónicos en los automóviles pueden incluir un parabrisas libre de niebla sobre la base de la humedad y la detección de la temperatura y el control climático, estacionamiento automático, con ayuda al estacionamiento trasero, la asistencia de cambio de carril, la sustitución de los sistemas hidráulicos por electromecánico de los sistemas de servo. A medida que el número de automóviles en el mundo aumenta, más estrictas normas de emisión son inevitables.
Productos mecatrónicos, con toda probabilidad de contribuir a afrontar los retos de control de emisiones y la eficiencia del motor, proporcionando una reducción sustancial de las emisiones del vehículo.
Un automóvil con 30-60 microcontroladores, hasta 100 motores eléctricos, alrededor de 100 kilos de cableado, una multitud de sensores y miles de líneas de código de software difícilmente puede ser clasificado como un sistema estrictamente mecánico. El automóvil se está transformando en un sistema integral de mecatrónica.
Más información
Reyes Cortés, Fernando; Cid Monjaraz, Jaime y Vargas Soto, Emilio. 2013, Mecatrónica Control y Automatización, Editorial Alfaomega.
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