Diseños de acelerómetros y giroscopios basados ​​en cinta de nanotubos de carbono

El Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA desarrolló diseños para dos sensores de movimiento y posición de sistemas microelectromecánicos (MEMS):un acelerómetro de un solo eje y un giroscopio. Los diseños aprovechan una cinta de nanotubos de carbono de pared múltiple altamente alineada (MWCNT) con una matriz de P (VDF-TrFE) que es mecánicamente robusta y tiene excelentes propiedades piezoeléctricas como elemento de detección y actuación.

El uso de cinta CNT en un giroscopio es posible gracias a las mejoras recientes en el procesamiento de CNT que producen CNT más largos que están más alineados. El uso de CNT hace que los acelerómetros y giroscopios sean más fuertes y robustos, sin aumentar su tamaño o peso. La principal ventaja, en comparación con los sensores de silicona (Si) y cuarzo, es una fabricación más sencilla que no requiere mecanizado.

El acelerómetro de la NASA fue diseñado para abordar las deficiencias de los acelerómetros piezoeléctricos convencionales que están hechos de materiales cerámicos como el titanato de bario (BaTiO₃ ) o titanato de plomo (PZT). Estos materiales son inherentemente frágiles, tienden a ser ruidosos, tienen dificultad para detectar bajas frecuencias, están sujetos a la acumulación de carga estática que afecta la polarización y son relativamente grandes y costosos. La característica única de la innovación de la NASA es el uso de cinta de nanotubos de carbono/P(VDF-TrFE) como elemento de actuación y detección.

El nuevo acelerómetro actúa como un sistema de resorte-masa. Hay una masa en movimiento entre paredes fijas y unida a dos cintas de CNT en ambos lados. La masa se desplaza a lo largo de un solo eje cuando una fuerza aplicada actúa sobre la masa. Este sensor usa una cinta como actuador para amortiguar el movimiento de la masa en movimiento, mientras que la otra cinta se usa para detectar el desplazamiento de la masa.

El acelerómetro de un solo eje se puede usar solo o como base para un giroscopio de dos ejes. La cinta CNT se utiliza como elemento vibratorio en el giroscopio. El diseño del giroscopio de la NASA cubre tres configuraciones:cinta CNT envuelta alrededor del rotor conductor del giroscopio, la misma cinta CNT con capas de material piezoeléctrico para formar una forma de rotor y cinta CNT rociada piezoeléctrica utilizada como rotor.

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