Acelerómetro y giroscopio MEMS de la NASA con cinta de nanotubos de carbono de alta resistencia

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 (MWCNT) altamente alineada con una matriz de P(VDF-TrFE) que es mecánicamente robusta y tiene excelentes propiedades piezoeléctricas como elemento sensor y actuador.

Ventajas de la cinta de nanotubos de carbono

El uso de cinta de CNT en un giroscopio es posible gracias a mejoras recientes en el procesamiento de CNT que producen CNT más largas y altamente alineadas. El uso de CNT hace que el acelerómetro y los giroscopios sean más fuertes y robustos, sin aumentar su tamaño o peso. La principal ventaja, comparado con sensores de silicio (Si) y cuarzo, es una fabricación más sencilla que no requiere mecanizado.

Acelerómetro: superando limitaciones convencionales

El acelerómetro de la NASA se diseñó para abordar las deficiencias de los acelerómetros piezoeléctricos convencionales hechos de materiales cerámicos como 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 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 masa-resorte. Hay una masa móvil entre paredes fijas y unida a dos cintas de CNT a ambos lados. La masa se desplaza a lo largo de un solo eje cuando una fuerza aplicada actúa sobre ella. Este sensor usa una cinta como actuador para amortiguar el movimiento de la masa móvil, mientras que la otra cinta se usa para detectar el desplazamiento de la masa.

Giroscopio de tres configuraciones

El acelerómetro de un solo eje puede usarse solo o como base para un giroscopio de dos ejes. La cinta de CNT se usa como elemento vibrante en el giroscopio. El diseño del giroscopio de la NASA cubre tres configuraciones: cinta de CNT enrollada alrededor del rotor conductor del giroscopio, la misma cinta de CNT en capas con material piezoeléctrico para formar forma de rotor, y cinta de CNT rociada con piezo usada como rotor.

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