透過(guò)壓力及應變管理強化高精度傾斜/角度感測性能

加速度計是一種非常不錯的傳感器，可以感測開(kāi)始傾塌的大橋在重力作用下，呈現細微的方向變化時(shí)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度。這些傳感器包括當您傾斜手機顯示屏幕時(shí)，可以改變顯示屏幕方向的手機應用組件，也包括受出口管制，可以幫助軍用車(chē)輛或航空導航的戰術(shù)級組件。[1]
然而，與大多數傳感器一樣，該傳感器在實(shí)驗室或試驗臺上表現卓越是一回事，面對荒涼、不受控制的環(huán)境條件和溫度壓力時(shí)，要保持同等的系統級性能，則完全是另一回事了。像人類(lèi)一樣，當加速度計在其生命周期中承受了前所未有的壓力時(shí)，系統會(huì )有反應，并可能因這些壓力的影響而發(fā)生故障。
高精度傾斜感測系統在校準之后，傾斜精度一般可以?xún)?yōu)于1度。使用先進(jìn)的超低噪聲和高度穩定的加速度計，例如ADXL354 或ADXL355，透過(guò)對可觀(guān)測到的誤差源進(jìn)行校準，其傾斜精度可以達到0.005度。[2]但是，只有在適當減輕壓力的情況下才能達到這種精度水平。例如傳感器承受的壓縮/拉壓力可能導致其出現高達20 mg的偏移，使得傾斜誤差超過(guò)1度。
本文探討采用加速度計的高精度角度/傾斜感測系統的性能指針。我們首先從微觀(guān)角度分析傳感器設計，以便能更了解微米級壓力和應變的影響。分析顯示，如果不遵循整體的機械和物理設計方法，則會(huì )出現一些令人驚訝的結果。最后，本文將為設計人員介紹有助于在要求嚴苛的應用中充分提升性能、切實(shí)可行的步驟。

ADXL35x傳感器設計
從價(jià)格和性能角度來(lái)看，基于MEMS的加速度計適用于從消費類(lèi)產(chǎn)品到軍用感測的各類(lèi)應用。ADI的低噪聲加速度計ADXL354和ADXL355，可以支持精密傾斜感測、地震成像等應用，以及機器人和平臺穩定等許多新興應用。
ADXL355具備的特性，使其在高精度傾斜/角度感測應用中具有獨特的優(yōu)勢，例如卓越的噪聲、偏移、重復性和與溫度相關(guān)的偏移，以及振動(dòng)校正和跨軸靈敏度等二階效應。本文將以這種特定的傳感器作為高精度加速度計的示例來(lái)詳細探討；但是，本節中討論的原理適用于絕大多數三軸MEMS加速度計。
為了能更加理解促使ADXL355實(shí)現高性能的設計考慮，首先檢視傳感器的內部結構，闡明三軸對環(huán)境參數（例如平面外壓力）產(chǎn)生不同響應的原因。在許多情況下，這種平面外壓力都是由傳感器z軸上的溫度梯度引起的。
ADXL35x系列加速度計包含一個(gè)彈簧質(zhì)量系統，這與許多其他的MEMS加速度計類(lèi)似。質(zhì)量響應外部加速度（靜態(tài)加速度（如重力）或動(dòng)態(tài)加速度（如速度變化））而移動(dòng)，其物理位移透過(guò)傳導機制進(jìn)行檢測。MEMS傳感器采用的最常見(jiàn)的傳導機制，包括電容式、壓阻式、壓電式或磁性。
ADXL355采用電容傳導機制，透過(guò)電容變化來(lái)檢測移動(dòng)，而電容變化透過(guò)讀取電路可轉換為電壓或電流輸出。雖然ADXL355對硅芯片上的所有三軸傳感器都采用了電容傳導機制，但X/Y傳感器和Z傳感器采用了兩種完全不同的電容檢測架構。X/Y傳感器均基于差分平面內叉指，而Z傳感器是平面外平行板電容傳感器，如圖1所示。

 
圖1 : ADXL355的傳感器架構。對于X/Y傳感器，隨著(zhù)標準質(zhì)量的移動(dòng)，固定指與標準質(zhì)量所連接的叉指之間的電容會(huì )發(fā)生變化。z軸傳感器上的質(zhì)量不均衡，因此可以對z軸加速度進(jìn)行平面外檢測。

如果傳感器上存在壓縮壓力或拉壓力，MEMS芯片會(huì )翹曲。由于檢測質(zhì)量塊透過(guò)彈簧懸掛在襯底上方，所以不會(huì )和襯底一起翹曲，但質(zhì)量塊和襯底之間的間隙會(huì )發(fā)生變化。
對于X/Y傳感器，由于平面內位移對叉指電容變化的影響最大，所以間隙不在電容靈敏度這個(gè)方向，這是由邊緣電場(chǎng)的補償作用導致的。但是，對于Z傳感器，襯底和檢測質(zhì)量塊之間的間隙實(shí)際上是感測間隙。所以，它會(huì )對Z傳感器產(chǎn)生直接影響，因為它有效改變了Z傳感器的檢測間隙。此外，Z傳感器位于芯片中央，只要芯片受到任何壓力，該位置都會(huì )產(chǎn)生大幅的翹曲。
除了物理壓力之外，由于在大多數應用中，z軸上的熱傳遞都不對稱(chēng)，所以z軸傳感器上經(jīng)常存在溫度梯度。在典型應用中，傳感器焊接在印刷電路板（PCB）上，而且整個(gè)系統都在封裝內。X和Y軸的熱傳遞主要透過(guò)封裝周邊的焊點(diǎn)來(lái)傳遞，并傳遞到對稱(chēng)的PCB上。
但是，在z方向，由于芯片頂部存在焊點(diǎn)和對流，所以熱傳遞通過(guò)底部傳導，熱量會(huì )透過(guò)空氣傳遞到封裝外。由于這種不匹配，z軸上會(huì )出現殘余的溫差梯度。與物理壓縮/拉壓力一樣，這會(huì )使z軸上出現并非由加速度導致的偏移。

受環(huán)境壓力影響的數據評述
ADXL354（模擬輸出）加速度計可以連接至任何模擬數據獲取系統來(lái)實(shí)施數據分析，而ADXL355評估板經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可直接放入客戶(hù)系統中，從而簡(jiǎn)化了現有嵌入式系統的原型設計。
本文中使用小型評估板EVAL-ADXL35x。為了記錄和分析數據，將EVAL-ADXL35x連接至SDP-K1微控制器板，并使用Mbed環(huán)境進(jìn)行編程。Mbed是適用于A(yíng)rm 微控制器板的開(kāi)源和免費開(kāi)發(fā)環(huán)境，配有一個(gè)在線(xiàn)編譯程序，可以幫助快速建構。SDP-K1板在連接至PC時(shí)，會(huì )顯示為外部驅動(dòng)器。要對該板編程時(shí)，只需將編譯程序產(chǎn)生的二進(jìn)制文件拖放到SDP-K1驅動(dòng)器中即可。[3,4]
一旦Mbed系統透過(guò)UART記錄數據，就形成了一個(gè)基本的測試環(huán)境，可以嘗試進(jìn)行ADXL355實(shí)驗，并將輸出傳輸到簡(jiǎn)單端口，用于記錄數據和進(jìn)一步分析。需要注意的是，無(wú)論加速度計的輸出數據速率是多少，Mbed代碼都以2 Hz的速率記錄緩存器。在Mbed中也可以采用更快的記錄速度，但本文不做闡述。
良好的初始數據集有助于確定基準性能，并驗證我們后續進(jìn)行的大部分數據分析中可能出現的噪聲水平。使用具有吸盤(pán)裝置的PanaVise鉸接式虎鉗[5]，這樣將該設備黏附在玻璃表面時(shí)，就可以透過(guò)工作臺設定實(shí)現相當穩定的工作表面。采用這種配置，ADXL355板（從側面固定）與實(shí)驗室工作臺一樣穩定。
更進(jìn)階的電力用戶(hù)可能會(huì )注意到，安裝這種虎鉗雖然存在著(zhù)傾翻的風(fēng)險，但這是一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟的方法，可以根據重力改變方向。如圖2所示安裝ADXL355板之后，持續60秒采集一組數據進(jìn)行首次分析。
 
圖2 : 使用 EVAL-ADXL35x、SDP-K1和PanaVise支架的測試裝置。

 
圖3 : 未采用低通濾波器（緩存器 0x28=0x00）時(shí)的ADXL355數據，采集數據時(shí)長(cháng)超過(guò)1分鐘。

取120個(gè)數據點(diǎn)并測量標準偏差，顯示噪聲在800 μg到1.1 mg之間。根據ADXL355數據手冊中的典型性能規格，所列出的噪聲密度為25 μg/√Hz。在預設的低通濾波器（LPF）設定下，加速度計的帶寬約為1000 Hz。假設采用磚墻式濾波器，此時(shí)噪聲大約為 25 μg/√Hz ×√1000 Hz = 791 μg 。這個(gè)初始數據集通過(guò)了首次取樣測試。
準確地說(shuō)，從噪聲譜密度向有效值噪聲的轉換采用的系數應可以表示一個(gè)事實(shí)，即數字LPF不會(huì )無(wú)限滾降（亦即一個(gè)磚墻式濾波器）。有些使用1.6×系數可實(shí)現簡(jiǎn)單的RC單極點(diǎn)20 dB/倍頻程滾降，但ADXL355數字低通濾波器不是單極點(diǎn)RC濾波器。無(wú)論如何，假設系數在1和1.6之間，至少可以讓我們正確預估噪聲近似值。
對于許多精密感測應用，相對于被測量的訊號，1000 Hz帶寬的范圍過(guò)于寬大。為了幫助優(yōu)化帶寬和噪聲之間的折衷空間，ADXL355采用了一個(gè)板載數字低通濾波器。
在接下來(lái)的測試中，將LPF設定為4 Hz，這將使噪聲系數降低。該測試在Mbed環(huán)境中使用圖4所示的簡(jiǎn)單結構完成，數據如圖5所示。經(jīng)過(guò)濾波后，噪聲如預期一樣顯著(zhù)下降。如表1所示。



 
圖4 : 用于配置緩存器的Mbed代碼。

 
圖5 : LPF設定為4 Hz（緩存器0x28=0x08）時(shí)的ADXL355數據，采集數據時(shí)長(cháng)超過(guò)1分鐘。

表1顯示，在目前設定下，y軸的噪聲高于預期的理論值。在調查可能的原因以后，我們發(fā)現額外的筆記本電腦和其他實(shí)驗室設備風(fēng)扇的振動(dòng)可能在y軸上表現為噪聲。
為了驗證這一點(diǎn)，藉由轉動(dòng)虎鉗讓x軸到達y軸原先所在的位置，結果顯示，x軸成為了噪聲更高的軸。軸與軸之間的噪聲差異則似乎是儀表噪聲，而不是加速度計各軸之間噪聲水平本身的差異。這種類(lèi)型的測試實(shí)際上是對低噪聲加速度計的「初始」測試，從而增強了進(jìn)一步測試的信心。
為了解熱沖擊會(huì )對ADXL355造成多大影響，我們選用一把熱風(fēng)槍[7]，將它調整到冷風(fēng)模式（實(shí)際上比室溫高幾度），以便給加速度計施加熱壓力。我們也使用ADXL355的板載溫度傳感器來(lái)記錄溫度。
在本次實(shí)驗中，使用虎鉗將ADXL355垂直放置，用熱風(fēng)槍對封裝頂部吹風(fēng)。在預期實(shí)驗過(guò)程中偏移時(shí)的溫度系數會(huì )隨著(zhù)芯片溫度的升高而顯現，但任何溫差熱壓力幾乎會(huì )立即呈現出來(lái)。
換句話(huà)說(shuō)，如果單個(gè)檢測軸對溫差熱壓力很敏感，那么加速度計輸出中可能出現大的起伏。刪除數據變化較為平緩時(shí)的平均值，就可輕松地同時(shí)比較三個(gè)軸。結果如圖6所示。

 

圖6 : 使用采用冷風(fēng)模式的熱風(fēng)槍時(shí)，ADXL355的熱沖擊數據。

從圖6中可以看出，用熱風(fēng)槍將溫度稍高的風(fēng)吹到密封型陶瓷封裝上。結果，z軸上出現~1500 μg的偏移，y軸上的偏移要小的多（可能為~100 μg），x軸上則幾乎無(wú)偏移。雖然許多最終客戶(hù)產(chǎn)品的PCB頂部有外殼，可以分散溫差熱壓力，但我們需要考慮這些類(lèi)型的快速瞬變壓力，從這個(gè)簡(jiǎn)單測試中可以看出，這些壓力可能會(huì )表現為偏移誤差。
圖7顯示了關(guān)閉熱風(fēng)槍之后，呈現的相反的極性效應。

 

圖7 : 在t=240秒關(guān)閉熱風(fēng)槍時(shí)，ADXL355受到的熱沖擊。

在加熱環(huán)境中使用熱風(fēng)槍時(shí)，這種效果更加明顯；即溫度沖擊的幅度更大時(shí)。Weller熱風(fēng)槍的輸出溫度約為攝氏400度，所以在使用時(shí)，需間隔一段距離，以免因為過(guò)熱或熱沖擊造成損壞。
在本次測試中，熱風(fēng)槍在距離ADXL355大約15 cm的位置吹出熱風(fēng)，導致溫度立即升高大約攝氏40度，如圖8所示。

 

圖8 : 使用熱風(fēng)槍時(shí)，ADXL355 受到的熱沖擊。

盡管熱沖擊的強度相當大，但在本次實(shí)驗期間，仍然可以明顯看到，z軸的反應速度要比x軸和y軸快得多。使用產(chǎn)品手冊中的偏移溫度系數，當溫度發(fā)生試攝氏40度偏移時(shí)，將會(huì )看到約100 μg/攝氏度數×攝氏40度 = 4 mg的偏移，x軸和y軸最終會(huì )顯示這一點(diǎn)。但是，我們發(fā)現z軸上幾乎立刻出現10 mg偏移，說(shuō)明這種影響與溫度導致的偏移不同。這是由傳感器上的溫差熱壓力/應變造成的，在z軸上表現得最明顯，如前文所述，此為相較于x和y軸，z軸上的傳感器對溫差壓力更敏感。
ADXL355的典型偏移溫度系數（失調溫度系數）設為+/-100 μg/攝氏度數。我們需要理解此處所用的測試方法，這非常重要，因為失調溫度系數是在烤箱中使用加速度計進(jìn)行測量的。在傳感器的溫度范圍內，烤箱溫度慢慢上升，我們測量偏移的斜度。典型示例如圖9所示。

 

圖9 : ADXL355在烤箱中進(jìn)行測試的溫度特性。

圖中顯示了兩種影響。一種是產(chǎn)品描述和記錄的失調溫度系數。這是烤箱以攝氏5度/分鐘的速度升溫，但不保溫的情況下，在攝氏–45度到+120度的溫度范圍內許多產(chǎn)品的平均值。從與圖9類(lèi)似的圖表中可以得出此結果，而且可以指出在高于攝氏165度時(shí)為18 mg，或約109 μg/攝氏度數，稍微超出100 μg/攝氏度數典型值的范圍，但仍在原設定的最小值和最大值范圍內。
但是，考慮一下圖9右側所示的情況，讓組件在攝氏120度下保溫15分鐘會(huì )如何。當設備處于高溫下時(shí)，實(shí)際的偏移量下降并改善。在這種情況下，平均值在高于攝氏165度時(shí)接近10 mg，或失調溫度系數約為60 μg/攝氏度數。產(chǎn)生的第二種影響與溫差熱壓力有關(guān)，傳感器檢測質(zhì)量塊在整個(gè)硅芯片組件的溫度范圍內穩定下來(lái)后，壓力隨之降低。
圖6到圖8所示的熱風(fēng)槍測試也顯示了這種影響，與產(chǎn)品本身設定的長(cháng)期失調溫度系數相比，這種影響會(huì )在更短的時(shí)間量程內顯現。對于因受總體的熱動(dòng)力學(xué)影響，升溫速度遠遠慢于攝氏5度/分鐘的許多系統而言，上述發(fā)現相當具有價(jià)值。

影響穩定性的其他因素
在深入理解設計中的熱壓力之后，還需了解慣性傳感器的另一個(gè)重要方面，即其長(cháng)期穩定性或可重復性?？芍貜托允侵冈谙嗤瑮l件下長(cháng)時(shí)間連續測量的準確性。例如在一段時(shí)間內，對相同溫度下同一方向的重力場(chǎng)進(jìn)行兩次測量，并觀(guān)察其匹配程度。對于無(wú)法定期實(shí)施維護校準的應用，在評估傳感器的長(cháng)期穩定性時(shí)，偏移的可重復性和靈敏度是至關(guān)重要的因素。許多傳感器制造商未在其產(chǎn)品手冊中描述或規定長(cháng)期穩定性。
ADXL355設定可重復性為10年壽命預測值，包括高溫工作壽命測試（HTOL）、測量溫度循環(huán)（攝氏?55度至+125度且循環(huán)1000次）、速度隨機游走、寬帶噪聲和溫度遲滯引起的測量偏移。ADXL35x系列具有可重復性，ADXL355的X/Y傳感器和Z傳感器的精度分別為+/-2 mg和+/-3 mg。
在穩定的機械、環(huán)境和慣性條件下，可重復性遵循平方根定律，因為它與測量的時(shí)間有關(guān)。例如要獲得x軸在兩年半的時(shí)間里（對于最終產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可能是很短的一段時(shí)間）的偏移可重復性，可以使用以下公式計算+/-2 mg × √（2.5 years/10 years） =+/-1 mg。圖10顯示在23天內，32個(gè)組件的HTOL測試結果：偏移為0 g。在此圖中可以清楚地看到平方根定律。還應該強調的是，由于MEMS傳感器制造過(guò)程中的制程差異，每個(gè)組件的性能都不同，有些組件的性能優(yōu)于其他組件。

 

圖10 : ADXL355長(cháng)達500小時(shí)的長(cháng)期穩定性。

機械系統設計建議
經(jīng)過(guò)上述分析探討，很明顯可以看出，機械安裝表面和外殼設計可以幫助提升ADXL355傳感器的總體性能，因為它們會(huì )影響傳遞給傳感器的物理壓力。
一般來(lái)說(shuō)，機械安裝、外殼和傳感器會(huì )構成一個(gè)二階（或更高階）系統；因此，在諧振或過(guò)阻尼期間，它會(huì )產(chǎn)生不同的回應。機械支持系統具有代表這些二階系統的模式（由諧振頻率和質(zhì)量因子定義）。
在大多數情況下，我們的目標是了解這些因素，并盡量減少它們對感測系統的影響。因此，選擇的傳感器的封裝外形、所有界面和材料都應該能夠避免在A(yíng)DXL355應用的帶寬內造成機械衰減（因為過(guò)阻尼）或放大（因為諧振）。本文對這些具體的設計考慮因素不予過(guò)多探討；簡(jiǎn)要列下一些實(shí)用項目：

PCB、安裝和外殼
? 將PCB牢固地黏接在剛性襯底上。使用多個(gè)安裝螺釘，并在PCB背面使用黏膠，確保牢靠支持。
? 將傳感器放置在靠近安裝螺釘或固定板的位置。如果PCB體積較大（約幾英寸），則在板中央使用多個(gè)安裝螺釘，避免PCB出現低頻振動(dòng)，因為這種振動(dòng)會(huì )影響加速度計的測量結果。
? 如果PCB只是由凹槽/凸沿結構提供機械支撐，則使用更厚的PCB（推薦厚度大于2 mm）。在PCB尺寸較大時(shí)，增加其厚度來(lái)保持系統的剛性。使用有限元分析（例如ANSYS或類(lèi)似分析），針對特定設計確定最佳PCB外形尺寸和厚度。
? 對于如對傳感器實(shí)施長(cháng)時(shí)間測量結構健康監測之應用，傳感器的長(cháng)期穩定性至關(guān)重要。在選擇封裝、PCB和黏膠材料時(shí)，應選擇在長(cháng)時(shí)間內性能下降或機械特性變化最小的產(chǎn)品，以免為傳感器帶來(lái)額外的壓力，進(jìn)而導致出現偏移。
? 避免對外殼的固有頻率進(jìn)行假設。對簡(jiǎn)單的外殼實(shí)施固有振動(dòng)模型計算，對復雜的外殼設計進(jìn)行有限元分析，將會(huì )很有幫助。
? 將ADXL355和電路板焊接在一起會(huì )產(chǎn)生壓力，導致出現高達幾mg的偏移。為了減輕這種影響，建議PCB焊墊圖案、導熱片和銅走線(xiàn)導熱路徑采用對稱(chēng)布局。而在某些情況下，發(fā)現在校準前實(shí)施焊料退火或熱循環(huán)，可以幫助緩解壓力累積和幫助管理長(cháng)期穩定性問(wèn)題。

灌注材料
灌注材料廣泛用于將電子組件固定在外殼內。如果傳感器封裝采用的是二次成型塑料，例如連接盤(pán)網(wǎng)格數組（LGA），則不建議使用灌注材料，因為它們的溫度系數（TC）與外殼材料不匹配，會(huì )導致壓力直接影響傳感器，從而發(fā)生偏移。但是，ADXL355采用氣密陶瓷封裝，可以有效保護傳感器不受TC影響。但是，灌注材料可能仍會(huì )在PCB上形成壓力累積，這是因為隨著(zhù)時(shí)間流逝，材料的性能會(huì )退化，導致硅芯片出現微小翹曲，在傳感器上形成壓力。
對于需要在長(cháng)時(shí)間內保持穩定性的應用，一般建議避免使用灌注。低壓力保形涂層（例如C型聚對二甲苯）可以提供一些防潮層，用于代替灌注。[8]

氣流、熱傳遞和熱平衡
為了達到最佳的傳感器性能，需要在溫度穩定性得到優(yōu)化的環(huán)境中設計、放置和使用檢測系統，這非常重要。如本文所示，由于傳感器芯片上存在溫差熱壓力，即使微小的溫度變化也可能導致意想不到的后果。以下建議：

? 應將傳感器置于PCB上，以大幅降低傳感器上的熱梯度。例如，線(xiàn)性穩壓器會(huì )產(chǎn)生大量熱量；所以，它們在接近傳感器時(shí)，會(huì )在MEMS上產(chǎn)生熱梯度，并且熱梯度將會(huì )隨著(zhù)穩壓器的電流輸出不同而變化。
? 盡可能將傳感器模塊部署在遠離氣流（例如HVAC）的區域，以避免頻繁的溫度波動(dòng)。如果不可行，在封裝外部或內部采取熱隔離會(huì )大有幫助，可以透過(guò)熱絕緣實(shí)現。注意，傳導和對流熱路徑都需要考慮。
? 建議選擇外殼的熱質(zhì)量，使其可以在無(wú)法避免環(huán)境熱變化的應用中抑制環(huán)境熱波動(dòng)。

結論
本文闡述了在未充分考慮環(huán)境和機械影響的情況下，高精度ADXL355加速度計的性能會(huì )如何下降。透過(guò)整體的設計實(shí)踐，同時(shí)關(guān)注系統級配置，將使敏銳的工程師可以達到卓越的傳感器系統性能。許多人都承受著(zhù)前所未有的生活壓力，但重要的是面對壓力我們如何因應，加速度計也是如此。

（本文作者Paul Perrault1、Mahdi Sadeghi2為ADI1資深現場(chǎng)應用工程師及2產(chǎn)品應用工程師）

電路參考數據
[1] Chris Murphy。 “Choosing the Most Suitable MEMs Accelerometer for Your Application—Part 1.?！?《模擬對話(huà)》，第51卷，第4期，2017年10月。
[2] Chris Murphy。 “Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration.?！?《模擬對話(huà)》，2017年8月。
[3] SDP-K1評估系統。ADI。
[4] Mbed：SDP-K1用戶(hù)指南。ADI。
[5] PanaVise鉸接式托架。PanaVise。
[6] Mbed代碼。ADI。
[7] Weller 6966C熱風(fēng)/冷風(fēng)槍。Weller。
[8] Parylene。維基百科。