Acelerómetros capacitivos explicados: de la mecánica masa‑resorte a la condición de señal

Detección capacitiva para medición precisa de aceleración

Los acelerómetros son los héroes anónimos detrás de muchas tecnologías modernas. En seguridad automotriz, disparan airbags; en fotografía, mantienen las imágenes nítidas; en almacenamiento de datos, detectan golpes y pausan la operación. La microfabricación ha hecho estos dispositivos pequeños e inexpensivos, permitiendo su integración en todo, desde smartphones hasta maquinaria industrial.

En este artículo diseccionamos la física que convierte el movimiento en un voltaje medible: un sistema masa‑resorte‑amortiguador convierte la aceleración en desplazamiento, y la detección capacitiva traduce ese desplazamiento en una señal eléctrica. También cubrimos la técnica de condición de señal que asegura que la salida sea tanto lineal como robusta al ruido.

Medición de aceleración con un sistema masa‑resorte‑amortiguador

Una estructura clásica masa‑resorte‑amortiguador (Figura 1) es el corazón de la mayoría de los acelerómetros. La masa de prueba, unida al marco del sensor mediante un resorte flexible, responde a fuerzas externas.

Figura 1. Estructura masa‑resorte‑amortiguador

Cuando el marco acelera, la inercia mantiene la masa de prueba momentáneamente en reposo. Relativo al marco en movimiento, la masa aparece desplazada (Figura 2). El resorte se comprime o estira, ejerciendo una fuerza restauradora proporcional al desplazamiento, que a su vez impulsa la masa hacia el nuevo equilibrio. Una vez que el transitorio se extingue, el desplazamiento es directamente proporcional a la aceleración aplicada.

Figura 2. (a) Posición de reposo; (b) Desplazamiento durante la aceleración del marco.

Parámetros clave de diseño —masa, constante del resorte y amortiguamiento— se ajustan para que la región lineal de la relación masa‑resorte coincida con el rango de aceleración deseado.

Conversión de desplazamiento a señal: Detección capacitiva

La detección capacitiva es el método de transducción más común para acelerómetros micromecanizados. Dos electrodos fijos flanquean un electrodo móvil unido a la masa de prueba, formando un par de capacitores diferenciales (Figura 3).

Figura 3. Estructura de detección capacitiva diferencial

A medida que la masa de prueba se mueve, la separación de placas de un capacitor se reduce mientras la del otro se expande, creando un cambio diferencial directamente proporcional al desplazamiento.

Condición de señal con demodulación síncrona

Para leer las diminutas variaciones de capacitancia, los acelerómetros usan una excitación de onda cuadrada a ~1 MHz (Figura 4). Los dos electrodos fijos reciben señales de idéntica amplitud que están 180° fuera de fase. El voltaje diferencial resultante en el puente es cero cuando la masa está centrada y se convierte en una onda cuadrada cuya amplitud y fase codifican magnitud y dirección del desplazamiento.

Figura 4. Condición de señal simplificada (adaptada de la familia ADXL de Analog Devices)

El demodulador síncrono multiplica la salida del puente por la forma de onda de excitación, convirtiendo la onda cuadrada de alta frecuencia en un voltaje DC de baja frecuencia que puede amplificarse y digitalizarse. Esta técnica preserva la integridad de la señal mientras rechaza ruido de modo común.

Por qué la detección diferencial supera a la de un solo extremo

Un capacitor de un solo extremo (Figura 5) proporcionaría una salida no lineal porque los cambios de capacitancia están inversamente relacionados con la separación de placas. Esta no linealidad complica la calibración y degrada la precisión.

Figura 5. Modelo capacitivo de un solo extremo

En contraste, la arquitectura diferencial produce un voltaje lineal proporcional al desplazamiento:

Ecuación 3 V_bridge = (Δd/d₀) · V_drive⁺

El comportamiento lineal simplifica la calibración, mejora la repetibilidad de la medición y permite que el sensor opere en un amplio rango dinámico.

Conclusión

Hemos visto cómo un sistema masa‑resorte‑amortiguador transforma la aceleración en desplazamiento medible, y cómo la detección capacitiva diferencial combinada con demodulación síncrona produce un voltaje limpio y lineal que representa fielmente la aceleración aplicada. Seleccionar los parámetros mecánicos adecuados y la arquitectura de detección es esencial para acelerómetros de alto rendimiento.

En el próximo artículo derivaremos la función de transferencia completa del sistema masa‑resorte‑amortiguador, revelando la dinámica subyacente que gobierna la respuesta del sensor.

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