Sensor de película piezoeléctrica e inclinómetro ofrecen capacidades de control sensibles

En las aplicaciones de robots, el uso de sensores de película piezoeléctrica puede permitirles tener una destreza similar a la humana en los movimientos de las manos, donde la retroalimentación táctil sensible es crucial. Los robots deben ser capaces de detectar cambios en la presión al agarrar objetos, controlar eficazmente la fuerza de agarre y incorporar inclinómetros para mejorar sus capacidades de control. Esto representa una etapa importante en el desarrollo de robots. Los sensores de película piezoeléctrica ofrecen capacidades sensibles de detección de presión y, cuando se combinan con inclinómetros, brindan nuevas oportunidades para controlar aplicaciones táctiles en robots. Este artículo presentará el desarrollo tecnológico y las aplicaciones de los sensores de película piezoeléctrica y los inclinómetros, así como las soluciones ofrecidas por Murata.

Materiales de película piezoeléctrica más ecológicos y de mayor sensibilidad

La película piezoeléctrica está hecha de un material llamado Ácido Poliláctico (PLA), que es un tipo de "polímero biodegradable" con una resistencia y moldeabilidad comparables a los plásticos convencionales derivados del petróleo. Ha ganado atención desde alrededor de 1995 y ahora es ampliamente reconocido como un polímero respetuoso con el medio ambiente. El ácido láctico en el PLA se produce a través de la fermentación láctica llevada a cabo por bacterias del ácido láctico a partir de almidón extraído de plantas. El almidón se deriva de la fotosíntesis en las plantas, y además de la energía utilizada en el proceso de fabricación, se utilizan materiales con neutralidad de carbono durante todo el ciclo de fabricación, eliminación y descomposición, lo que evita añadir CO₂ a la atmósfera.   El PLA posee una alta transparencia, una característica que no se encuentra en otros polímeros biodegradables, con una transmitancia de luz que incluso supera la del acrílico con un 93%. El PLA se usa comúnmente en artículos cotidianos como cartones de huevos y cajas de tomates que se encuentran en los supermercados. Aunque el PLA se utiliza típicamente como un polímero de bajo costo y de origen vegetal para propósitos amigables con el medio ambiente, sus propiedades piezoeléctricas ofrecen características únicas.   La constante piezoeléctrica (constante piezoeléctrica d) del PLA es de aproximadamente 7 a 12 pC/N, lo cual es relativamente bajo en comparación con materiales como el PZT. Sin embargo, el PLA tiene una permitividad relativa muy baja, aproximadamente 2.5, lo que da como resultado una constante de salida piezoeléctrica relativamente grande (igual a la constante g piezoeléctrica, donde g=d/εT). Por lo tanto, el PLA exhibe una alta sensibilidad en términos de salida piezoeléctrica. Comparativamente, al considerar la constante de salida piezoeléctrica, el PLA es aproximadamente equivalente al fluoruro de polivinilideno (PVDF), que tiene una constante piezoeléctrica cuatro veces mayor que la del PLA.   Las películas piezoeléctricas hechas de PLA generan polarización proporcional a la distorsión (estiramiento, contracción) de la superficie de la película debido a la compresión o deformación. La polarización genera cargas que se convierten en voltaje mediante un convertidor I/V, lo que resulta en una señal de salida analógica. Esto permite detectar cambios de presión experimentados por la película piezoeléctrica.

Sensores de película piezoeléctrica flexible y delgada para detección de presión de alta sensibilidad

El "Picoleaf" de Murata es un sensor delgado y flexible desarrollado utilizando su tecnología piezoeléctrica patentada, diseñado para la detección de presión de alta sensibilidad. Es más pequeño y delgado que los sensores tradicionales, lo que ahorra espacio de instalación y mejora el rendimiento en el ensamblaje y la durabilidad. El Picoleaf tiene como objetivo mejorar la funcionalidad, la facilidad de ensamblaje y la durabilidad de los productos que requieren sensado en interfaces hombre-máquina (HMI). Para funcionar como un sensor, se imprimen o laminan electrodos sobre una película piezoeléctrica orgánica delgada y altamente flexible. Esta película puede montarse en dispositivos utilizando cinta adhesiva de doble cara, eliminando la necesidad de un proceso de unión.   Picoleaf contribuye a reducir el grosor de los dispositivos, permitiendo ahorrar espacio incluso cuando se combina con pantallas y paneles táctiles. Con su alta sensibilidad, Picoleaf puede detectar presión en pantallas de gran tamaño utilizando solo un sensor. También se puede aplicar para detectar desplazamientos diminutos en el rango de micrómetros, temblores musculares involuntarios, mantenimiento del agarre durante acciones y señales fisiológicas como el pulso humano.   Picoleaf posee propiedades no piroeléctricas, lo que significa que no se polariza debido a cambios de temperatura, minimizando así las variaciones de sensibilidad y las interferencias provocadas por factores como la temperatura corporal, la luz solar o el calentamiento de semiconductores. Además, Picoleaf exhibe un bajo consumo de energía, sin consumo de energía por parte del propio dispositivo sensor y con posibilidad de diseñar el amplificador de manejo para un consumo de corriente de baja potencia (alrededor de 10μA). Su estructura flexible permite que se doble y se adhiera a superficies curvas de dispositivos altamente diseñados.   Utilizando su tecnología piezoeléctrica patentada, el Picoleaf de Murata puede montarse en espacios reducidos. En comparación con sensores previos, logra delgadez mientras mejora el ensamblaje y la durabilidad. Picoleaf combina circuitos de detección para obtener salidas basadas en la velocidad de desplazamiento de la película piezoeléctrica. Aprovechando esta característica de salida, Picoleaf sirve para diversas aplicaciones de sensores, como detección de presión, detección de agarre y detección de señales biológicas.   Picoleaf puede utilizarse en aplicaciones para la detección de presión, sirviendo como un sensor de interfaz de usuario al detectar variaciones de presión. Por ejemplo, al colocar Picoleaf en un lápiz óptico, permite monitorear el estado de agarre de la mano del usuario. Su funcionalidad va más allá del tacto, ya que puede prevenir acciones accidentales detectando la presión de la mano.   Además, Picoleaf puede emplearse para aplicaciones de detección de señales biológicas, aprovechando la alta sensibilidad de los sensores de película piezoeléctrica. Puede actuar como un sensor para detectar señales biológicas tales como "pulso y respiración". Ya se han publicado varios artículos académicos que discuten el uso de sensores piezoeléctricos biodegradables para monitorear la frecuencia cardíaca y respiratoria en la superficie del cuerpo humano, confirmando la precisión de la detección de señales biológicas basada en sensores piezoeléctricos.   Murata ofrece una variedad de formatos de productos para Picoleaf, que incluyen elementos sensores que pueden conectarse directamente a la placa principal, así como elementos sensores combinados con cableado, lo cual permite separar la ubicación del sensor de la placa. Además, se ofrecen elementos sensores combinados con cableado para montaje de piezas, lo que separa aún más la ubicación del sensor de la placa, resultando en un diseño sin partes montadas en la placa principal.   El circuito de detección de Picoleaf consta de un convertidor I/V y un circuito amplificador. Cuando la película piezoeléctrica se deforma (debido a una fuerza de presión o a un estiramiento o contracción por deformación), genera una polarización proporcional a la cantidad de deformación aplicada. La carga generada por Picoleaf puede convertirse en voltaje a través del convertidor I/V, dando como resultado una salida de señal analógica. Esta señal de salida puede ampliarse y ajustarse según sea necesario para su procesamiento por un ADC o CPU de propósito general, sin ser afectada por la capacitancia del sensor y la capacitancia parásita. Actualmente, se recomiendan circuitos discretos, pero Murata está desarrollando un ASIC dedicado para Picoleaf que incluye funciones de procesamiento de señales, cuya disponibilidad se espera que comience en 2025.

Los sensores de Picoleaf poseen capacidades excepcionales de detección de deformaciones

Las propiedades piezoeléctricas de los sensores Picoleaf permiten la detección tanto de la "dirección del desplazamiento" como de la "velocidad del desplazamiento". En cuanto a la dirección del desplazamiento, cuando se detecta una deformación de tipo "doblez hacia montaña" (mountain-fold), la dirección del desplazamiento genera una salida hacia el lado positivo del voltaje de referencia de Picoleaf, mientras que si se detecta una deformación de tipo "doblez hacia valle" (valley-fold), la dirección del desplazamiento genera una salida hacia el lado negativo. Además de la dirección del desplazamiento, la velocidad del desplazamiento puede calcularse en función del voltaje pico, el cual se incrementa proporcionalmente con la velocidad del desplazamiento.   Además, utilizando la característica de salida revertida de los sensores Picoleaf, las acciones de empujar y soltar pueden aplicarse de manera fluida para alternar interruptores en interfaces de usuario. Si Picoleaf se monta en un objeto que experimenta vibración periódica, puede detectar dicha vibración periódica y, por ende, ser utilizado como un sensor de detección de estado.   La estructura de Picoleaf tiene un grosor de solo 0,2 mm o incluso menor, lo que lo hace increíblemente compacto con dimensiones de 2x10 mm. Incluso cuando se combina con pantallas o paneles táctiles, puede ahorrar espacio. También puede adherirse a superficies curvas de dispositivos diseñados con variaciones de altura, incluyendo formas especiales como envolver objetos cilíndricos. Picoleaf cuenta con una alta sensibilidad, capaz de detectar desplazamientos en el orden de 1 micrón. Un solo sensor puede detectar presión en toda la superficie de grandes pantallas. Puede utilizarse para detectar movimientos musculares inconscientes como temblores, agarres y pulsos.   Gracias a sus propiedades no piroeléctricas, Picoleaf experimenta un nivel mínimo de ruido, ya que no existen desviaciones causadas por factores térmicos como la temperatura corporal, la luz solar o los semiconductores. En consecuencia, los algoritmos pueden diseñarse más fácilmente, y el propio sensor tiene un consumo energético nulo, mientras que el circuito del amplificador de control puede diseñarse para un consumo energético bajo (aproximadamente 10 μA).

Picoleaf se puede utilizar para una variedad de aplicaciones de detección de presión

La transparencia de Picoleaf supera el 90%, lo que permite que se instale en áreas de paneles de visualización transparentes. Al combinar la funcionalidad de la interfaz de usuario (UI) de la pantalla táctil con las capacidades de detección de presión de Picoleaf, se puede lograr una interfaz hombre-máquina (HMI) diferente de las pantallas táctiles convencionales, basada en principios del comportamiento humano. En las aplicaciones, puede diseñarse como una UI de entrada confiable activada por la detección de presión, utilizando la detección de deformación para implementar dispositivos de entrada como lápices y crear una experiencia real de teclado de software mediante la aplicación de diversas funciones de detección de presión.   Si encuentra dificultades para realizar nuevos conceptos de dispositivos portátiles, puede usar la estructura ligera, delgada, corta y flexible de Picoleaf para añadir nuevas funciones mientras mantiene la integridad del diseño. La flexibilidad de instalación de Picoleaf puede abordar fácilmente desafíos como espacios mínimos, superficies curvas y otros. Al aplicar la detección de presión en espacios confinados y en superficies curvas para crear interfaces con operabilidad confiable, e incorporar capacidades de detección de uso y/o agarre (utilizando alta sensibilidad), los dispositivos portátiles pueden emplearse para detectar señales biológicas como pulso y respiración. Actualmente, ya está disponible en el mercado un dispositivo de fitness equipado con el sensor de película piezoeléctrica Picoleaf de Murata.   Al diseñar, Picoleaf también puede utilizarse para dar a los productos robóticos un sentido del tacto. Al aprovechar las características de alta sensibilidad de estos dispositivos, Picoleaf puede contribuir al desarrollo de la industria robótica que utiliza información táctil. Picoleaf puede aplicarse a las yemas de los dedos de manos robóticas para detectar deformaciones causadas por el contacto con objetos blandos o duros y ajustar la fuerza de agarre en consecuencia, permitiendo que una sola mano robótica sujete diversos objetos independientemente de su suavidad. Picoleaf puede conectarse a robots controlados remotamente para cuantificar la retroalimentación táctil, proporcionando información ambiental más realista para pilotos de VR. Además, Picoleaf puede adherirse al cableado dentro de los robots operativos para detectar anomalías internas tales como el deterioro del cableado.   En comparación con otros productos como sensores basados en deformación, capacitivos, acelerómetros y sensores mecánicos basados en software, Picoleaf tiene un tamaño estándar de solo 3x17 mm y un grosor de solo 0.25 mm (con adhesivo trasero de 0.1 mm). Puede ensamblarse utilizando cintas adhesivas y tiene capacidades de detección de fuerza, con una sensibilidad de hasta 1μm y la capacidad de detectar datos de velocidad de deformación. En el diseño de circuitos, se pueden usar componentes comunes, con una interfaz de conector ZIF de 4 pines, un voltaje típico de 3.3V para Vdd, un consumo de energía menor a 10μA, un tiempo de respuesta de menos de 10 ms y soporte para diseños curvos, proporcionando más ventajas.

Los inclinómetros de alto rendimiento cumplen con las exigencias de entornos hostiles

El inclinómetro SCL3300, introducido por Murata, es un inclinómetro de alto rendimiento de 3 ejes. Sus dimensiones son solo 7.6×8.6×3.3mm (ancho × largo × alto), y ofrece una elección de cuatro modos de medición para adaptarse a diversas aplicaciones y requisitos. El sensor cuenta con un ruido ultrabajo, con una resolución de hasta 0.001°/√Hz. Incorpora una interfaz digital SPI interna, características superiores de amortiguación mecánica y un rango de temperatura operativa de -40 a 125°C. El consumo de corriente es de solo 1.2 mA cuando se alimenta con un voltaje de suministro de 3.0 a 3.6V. Utilizando tecnología madura capacitiva 3D-MEMS, el SCL3300 ofrece un alto rendimiento y es adecuado para diseños robustos y duraderos.   El SCL3300 es ideal para aplicaciones que requieren alta estabilidad en entornos difíciles, incluyendo detección de nivel, compensación de inclinación, control de máquinas, monitoreo estructural, unidades de medida inercial (IMUs), robótica y sistemas de posicionamiento/navegación.   Para acelerar la velocidad de desarrollo de productos, Murata ha introducido la placa digital de acelerómetro/inclinómetro SCL3300-D01-PCB. Esta placa soporta un inclinómetro de tres ejes con un rango de ±2.4g y está equipada con el circuito portador del chip de la serie de inclinómetros digitales MEMS SCL3300. El propósito del circuito portador del chip es facilitar el diseño rápido de prototipos. La placa del circuito portador del chip SCL3300 incluye sensores y diseños de placas de circuito soldados en el circuito, junto con conectores y componentes pasivos.   Otro inclinómetro, BCGMCU, es la solución BCG de segunda generación con un rendimiento mejorado. Abre nuevas posibilidades para monitorear el estado de las personas que duermen en hospitales o en casa. Puede detectar varios señales biológicas como la frecuencia de pulso, la frecuencia respiratoria y el tiempo de respiración de una persona dormida, permitiendo la detección de cuándo una persona deja la cama y el análisis del estado del sueño. La solución BCGMCU consiste en un microcontrolador preprogramado (BCGMCU-D01) y el inclinómetro SCL3300-D01, proporcionando una solución a nivel de componentes destinada a proveedores de soluciones de software, proveedores de servicios y a integradores OEM de sistemas.

Conclusión

El sensor de película piezoeléctrica Picoleaf de Murata, conocido por su alta sensibilidad y su respeto al medio ambiente, cuenta con excelentes características como su tamaño reducido, bajo consumo energético y alta sensibilidad. Puede ser ampliamente utilizado en diversas aplicaciones de detección piezoeléctrica, incluyendo interfaces táctiles para usuarios, dispositivos portátiles y sensores táctiles robóticos. Combinado con el inclinómetro de alto rendimiento SCL3300, puede proporcionar una capacidad de control excepcional para aplicaciones robóticas, convirtiéndolo en una opción destacada para aplicaciones relevantes.