Sistema de caracterización de estabilidad en frecuencia de osciladores CMOS-MEMS bajo condiciones combinadas de presión, humedad y temperatura

Abstract

[spa] Los osciladores, a nivel teórico, mantienen una frecuencia de oscilación constante. A nivel práctico se observa que su comportamiento no es el comentado, en su lugar sufre unas variaciones distintas a lo largo del tiempo. De este hecho aparece el término de estabilidad en frecuencia, que da una idea de lo cerca que se encuentra un oscilador real de su modelo teórico. Para el cálculo de la estabilidad de un oscilador, no se pueden usar las fórmulas de varianza y desviación estándar, ya que a largo plazo tienden a infinito. Ésto es así, ya que los osciladores presentan derivas y efectos de autocalentamiento. Por tanto, para buscar la estabilidad de un oscilador se usa la desviación de Allan, el cual es un método estadístico de cálculo de desviación referido a las muestras adyacentes. En osciladores CMOS-MEMS se observa que las condiciones del entorno influyen en la frecuencia de oscilación. A causa de este hecho, estos tipos de osciladores son interesantes como sensores. Partiendo de esta base, resulta interesante saber cuan estable es un oscilador, y como afecta a su frecuencia de oscilación las diferentes condiciones de temperatura, presión y humedad en las que se encuentre. Por ello, se decidieron crear dos aplicaciones en el entorno LabVIEW(programa de programación gráfica típicamente usado en la ingeniería para el control de instrumentos). La primera aplicación configura un analizador de frecuencia para el correcto cálculo de la desviación de Allan para distintos tiempos de integración (análisis de corto plazo), además de incorporar la posibilidad de la lectura de presión y temperatura en la que se encuentra. Además incorpora la opción de guardado de datos en un fichero. La segunda aplicación es un datalogger virtual de la serie de instrumentos que capturan las condiciones de presión, humedad y temperatura en la que se encuentra el oscilador, así como la frecuencia central de oscilación. La adquisición de datos es on-line para asegurar que no es pierden los datos ya tomados en el caso de error del programa, PC, etc. En esta aplicación, se da la opción de decidir que condiciones se quieren adquirir. Además se ha diseñado una placa de circuito impreso (PCB) dorada con las características necesarias para ser compatible con los instrumentos del laboratorio, además de ser compatible con el ultrasonic-welding disponible en el laboratorio para la soldadura de osciladores CMOS-MEMS. La PCB incorpora los componentes necesarios para la correcta alimentación del oscilador y también un termistor tipo NTC para la adquisición de temperatura con la aplicación datalogger. Gracias a esta NTC, se podrá comparar como afecta la temperatura a la PCB y al oscilador en condiciones distintas de aislamiento y presión con rampas de temperatura externas, así como las lecturas de la frecuencia central de oscilación a través de conexiones SMA. Para finalizar, se han testeado las aplicaciones creadas en distintas condiciones de oscilación para comprobar su correcto funcionamiento.