優(yōu)化高精度傾斜／角度感測：增強性能

本文展示了高精度 MEMS 加速度計的性能如何在沒(méi)有充分考慮環(huán)境和機械影響的情況下降低。通過(guò)整體設計實(shí)踐和對系統級的關(guān)注，眼光敏銳的工程師可以為其傳感器系統實(shí)現卓越的性能。由于我們中的許多人在生活中都經(jīng)歷著(zhù)前所未有的壓力，意識到這一點(diǎn)很有用，就像加速度計一樣，殺死我們的永遠不是壓力——而是我們對它的反應！

在本系列的第 1 部分中，我們回顧了 3 軸高精度 MEMS 加速度計的內部結構。在第二部分中，我們回顧了如何獲取良好的起始數據集以建立基線(xiàn)性能并驗證在后續數據分析中預期的噪聲水平類(lèi)型。在我們系列的一期中，我們探討了影響穩定性的其他因素，然后提供機械系統設計建議，以提高 3 軸高精度 MEMS 加速度計的整體性能。

一旦充分了解設計中的熱應力，慣性傳感器的另一個(gè)重要方面就是它們的長(cháng)期穩定性或可重復性。重復性定義為長(cháng)時(shí)間內在相同條件下連續測量的準確度。例如，在較長(cháng)時(shí)間內在相同溫度下以相同方向對重力場(chǎng)進(jìn)行兩次測量，并查看它們的匹配程度。在無(wú)法進(jìn)行定期維護校準的應用中評估傳感器的長(cháng)期穩定性時(shí)，偏移和靈敏度的可重復性至關(guān)重要。許多傳感器制造商并未在其數據表中描述或指定長(cháng)期穩定性。以ADI公司的ADXL355數據手冊為例，預測 10 年壽命的可重復性，包括由于高溫工作壽命測試 (HTOL)（TA = 150°C，VSUPPLY = 3.6 V 和 1000 小時(shí)）、測量的溫度循環(huán)（?55°C 至 + 125°C 和 1000 個(gè)周期）、速度隨機游走、寬帶噪聲和溫度滯后。數據表中顯示的重復性為 ±2 m對于 X/Y 和 Z 傳感器，分別為g和 ±3 m g。這些測量對于評估長(cháng)期性能很重要。

穩定的機械、環(huán)境和慣性條件下的可重復性遵循與測量時(shí)間相關(guān)的平方根定律。例如，要獲得 x 軸 2.5 年的偏移重復性（終產(chǎn)品的任務(wù)概況可能更短），請使用以下等式：±2 m g × √ （ 2.5 年/10 年）= ±1 m g . 圖 1 顯示了 23 天內 32 個(gè)器件的 0 g偏移漂移的 HTOL 測試結果示例。在此圖中可以清楚地觀(guān)察到平方根定律。還應強調的是，由于 MEMS 傳感器制造過(guò)程中的工藝差異，每個(gè)部分的行為都不同——有些表現優(yōu)于其他部分。

圖 1. ADXL355 的 500 小時(shí)長(cháng)期穩定性。（：Analog Devices）

機械系統設計建議

根據前面討論的知識，很明顯，機械安裝接口和外殼設計將有助于 3 軸高精度 MEMS 加速度計傳感器的整體性能，因為它們會(huì )影響傳播到傳感器的物理應力。通常，機械安裝、外殼和傳感器構成二階（或更高階）系統；因此，它的響應在共振或過(guò)阻尼之間變化。

機械支撐系統具有代表這些二階系統的模式（由共振頻率和品質(zhì)因數定義）。在大多數情況下，目標是了解這些因素并將它們對傳感系統的影響降至。因此，應選擇傳感器將封裝在其中的任何外殼的幾何形狀以及所有接口和材料，以避免加速度計應用帶寬內的機械衰減（由于過(guò)阻尼）或放大（由于共振）。此類(lèi)設計注意事項的詳細信息超出了本文的范圍；但是，簡(jiǎn)要列出了一些實(shí)用項目：

印刷電路板、安裝和外殼

將 PCB 牢固地連接到剛體基板上。在 PCB 背面使用多個(gè)安裝螺釘和粘合劑可提供支撐。

將傳感器放置在安裝螺釘或緊固件附近。如果 PCB 幾何尺寸較大（幾英寸），請在板中間使用多個(gè)安裝螺釘，以避免 PCB 的低頻振動(dòng)耦合到加速度計并進(jìn)行測量。

如果 PCB 僅由凹槽/舌結構機械支撐，請使用更厚的 PCB（建議厚度大于 2 毫米）。對于具有較大幾何形狀的 PCB，增加厚度以保持系統的剛度。使用有限元分析，如 ANSYS 或類(lèi)似軟件，為特定設計優(yōu)化 PCB 幾何形狀和厚度。

對于需要長(cháng)時(shí)間測量傳感器的結構健康監測等應用，傳感器的長(cháng)期穩定性至關(guān)重要。應選擇封裝、PCB 和粘合劑材料，以限度地減少機械性能隨時(shí)間的退化或變化，這可能會(huì )導致傳感器上的額外應力，從而導致偏移。

避免對外殼的固有頻率做出假設。簡(jiǎn)單外殼的自然振動(dòng)模式計算和更復雜的外殼設計的有限元分析將很有用。

將加速度計焊接到電路板上產(chǎn)生的應力累積已被證明會(huì )導致高達幾毫克的偏移偏移。為減輕這種影響，建議 PCB 著(zhù)陸圖案、散熱墊和通過(guò) PCB 上銅走線(xiàn)的傳導路徑對稱(chēng)。嚴格按照加速度計數據表中提供的焊接指南進(jìn)行操作。還觀(guān)察到，在某些情況下，在任何校準之前進(jìn)行焊料退火或熱循環(huán)有助于緩解應力累積和管理長(cháng)期穩定性問(wèn)題。

灌封料

灌封化合物廣泛用于將電子設備固定在外殼內。如果傳感器封裝是包覆成型塑料，例如焊盤(pán)柵格陣列 (LGA)，則強烈建議不要使用灌封化合物，因為它們的溫度系數 (TC) 與外殼材料不匹配，會(huì )導致壓力直接施加在傳感器上，然后偏移. 采用密封陶瓷封裝的 3 軸高精度 MEMS 加速度計可顯著(zhù)保護傳感器免受 TC 效應的影響。但是，由于材料隨時(shí)間退化，灌封化合物仍然會(huì )導致 PCB 上的應力累積，從而可能通過(guò)硅芯片的小翹曲對傳感器造成應變。通常建議避免在需要高穩定性的應用中對傳感器進(jìn)行灌封。8個(gè)

氣流、傳熱和熱平衡

為實(shí)現傳感器性能，重要的是在溫度穩定性得到優(yōu)化的環(huán)境中設計、定位和使用傳感系統。正如本文所示，由于傳感器管芯上的熱應力差異，即使是很小的溫度變化也會(huì )顯示出意想不到的結果。以下是一些提示：

傳感器應放置在 PCB 上，以使傳感器上的熱梯度。例如，線(xiàn)性穩壓器會(huì )產(chǎn)生大量熱量；因此，它們靠近傳感器會(huì )導致整個(gè) MEMS 的溫度梯度可能隨調節器中的電流輸出隨時(shí)間而變化。

如果可能，傳感器模塊應部署在遠離氣流的區域（例如 HVAC），以避免溫度頻繁波動(dòng)。如果不可能，封裝外部或內部的熱隔離是有幫助的，并且可以通過(guò)熱絕緣來(lái)實(shí)現。請注意，需要考慮傳導和對流熱路徑。

建議選擇外殼的熱質(zhì)量，以便在環(huán)境熱變化不可避免的應用中抑制環(huán)境熱波動(dòng)。

結論

本文展示了高精度 MEMS 加速度計的性能如何在沒(méi)有充分考慮環(huán)境和機械影響的情況下降低。通過(guò)整體設計實(shí)踐和對系統級的關(guān)注，眼光敏銳的工程師可以為其傳感器系統實(shí)現卓越的性能。由于我們中的許多人在生活中都經(jīng)歷著(zhù)前所未有的壓力，意識到這一點(diǎn)很有用，就像加速度計一樣，殺死我們的永遠不是壓力——而是我們對它的反應！