優(yōu)化高精度傾斜角度傳感提高性能

在?第一部分 中本文綜述了三軸高精度MEMS加速度計的內部結構。在?第二部分里面 ,我們回顧了如何獲得一個良好的起始數(shù)據(jù)集,以建立基線性能,并驗證在隨后的數(shù)據(jù)分析中所期望的噪聲水平。在本系列的最后一部分中,我們探討了其他影響穩(wěn)定性的因素,并提出了改進三軸高精度MEMS加速度計整體性能的機械系統(tǒng)設計建議。

一旦對設計中的熱應力有了很好的理解,慣性傳感器的另一個重要方面就是它們的長期穩(wěn)定性或可重復性。可重復性是指在同一條件下長時間連續(xù)測量的準確性。例如,在較長的時間內,對同一方向的重力場進行兩次測量,測量同一溫度下的重力,并觀察它們的匹配情況。當評估傳感器在無法適應常規(guī)維護校準的應用中的長期穩(wěn)定性時,偏移和靈敏度的可重復性至關重要。許多傳感器制造商在數(shù)據(jù)表中沒有說明或說明長期穩(wěn)定性。例如,在農業(yè)發(fā)展署的Adxl355數(shù)據(jù)表中,可重復性預測為10年的壽命,包括由于高溫操作壽命試驗(TA=150℃,VOT=3.6V和1000小時)、測量溫度循環(huán)(-55℃至+125℃和1000個周期)、速度隨機行走、寬帶噪聲和溫度滯后所造成的測量位移。數(shù)據(jù)表中顯示的可重復性 g 和+3米 g 分別用于X/Y和Z傳感器。這些衡量對評價長期業(yè)績很重要。

穩(wěn)定的機械、環(huán)境和慣性條件下的可重復性遵循平方根定律,因為它與時間測量有關。例如,為了獲得x軸2.5年的偏移可重復性(可能是一個終端產品的較短的飛行任務概況),使用以下公式: g × √(2.5 years/10 years) = ±1 m g .圖1顯示了Htol測試結果為0的示例 g 在23天內抵消32個設備的漂移。在這個圖中,平方根定律是明顯可見的。還應強調的是,由于MEMS傳感器制造過程的變化,每個部件的性能各不相同,有些比另一些更好。

圖1         500小時長期穩(wěn)定的Adxl355。

機械系統(tǒng)設計建議

根據(jù)先前討論中獲得的知識,很明顯,機械安裝接口和外殼設計將有助于3軸高精度MEMS加速度計傳感器的總體性能,因為它們將影響到傳感器的物理應力。一般而言,機械安裝、外殼和傳感器構成二階(或更高)系統(tǒng);因此,其響應在共振或過度阻尼之間有所不同。

機械支持系統(tǒng)具有代表這些二階系統(tǒng)的模式(由共振頻率和質量因素定義)。在大多數(shù)情況下,目標是了解這些因素,盡量減少其對傳感系統(tǒng)的影響。因此,應選擇傳感器將被包裝的任何外殼的幾何形狀,以及所有接口和材料,以避免在加速度計應用的帶寬范圍內的機械衰減(由于過度阻尼)或放大(由于共振)。這種設計考慮的細節(jié)不在本條的范圍之內,但簡要列出了一些實際項目:

多氯聯(lián)苯、安裝和封閉物

· 安全地將電路板連接到剛體襯底上。使用多個安裝螺絲結合粘合劑在背面的印刷電路板提供最好的支持。

· 將傳感器靠近安裝螺絲或緊固件。如果電路板的幾何形狀很大(幾英寸),在板中間使用多個安裝螺絲,以避免電路板的低頻率振動,這將連接到加速度計并被測量。

· 如果多氯聯(lián)苯僅由凹槽/舌結構機械地支撐,則使用較厚的多氯聯(lián)苯(建議使用大于2毫米厚的多氯聯(lián)苯)。在具有較大幾何形狀的多氯聯(lián)苯的情況下,增加厚度以保持系統(tǒng)的剛度。用有限元分析,如ANSYS或類似的,為最佳的印刷電路板幾何和厚度的具體設計。

· 對于結構健康監(jiān)測等長期測量傳感器的應用,傳感器的長期穩(wěn)定性至關重要。應選擇包裝材料、多氯聯(lián)苯和粘合材料,以盡量減少機械性能隨時間推移的退化或變化,這可能會增加傳感器的壓力,從而抵消。

· 避免對圈圈的自然頻率做出假設。在簡單圍護罩的情況下計算自然振動模式和在更復雜的圍護設計的情況下進行有限元分析將是有用的。

· 從焊接加速度計到板材的壓力增加已經被證明會導致最多幾毫克的偏移。為了減輕這種影響,建議在印刷電路板著陸模式、熱墊和通過銅跡在印刷電路板上的傳導路徑中保持對稱。密切遵循加速計數(shù)據(jù)表中提供的焊接指南。還發(fā)現(xiàn),在某些情況下,焊料退火或熱循環(huán)在任何校準之前都有助于緩解應力積累和管理長期穩(wěn)定性問題。

水柱化合物

定位化合物被廣泛用于安全的電子在一個外殼內。如果傳感器包是一種超模塑料,如陸網陣列(LGA),則由于其溫度系數(shù)(TC)與封閉材料不匹配,導致壓力被直接施加到傳感器上,然后被偏移,因此極不鼓勵使用陶罐化合物。三軸高精度MEMS加速度計,進入一個密封陶瓷包裝顯著保護傳感器從TC效應。但是,隨著時間的推移,由于材料的退化,在多氯聯(lián)苯上的壓力仍然會增加,這可能會通過硅模具的小熱頁對傳感器造成壓力。一般建議避免將傳感器置于長期需要高穩(wěn)定性的應用中。低應力共形涂料,如二甲苯C,可以提供某種形式的水分屏障,以替代種植。8

空氣流動、傳熱和熱平衡

為了達到最好的傳感器性能,重要的是在優(yōu)化溫度穩(wěn)定性的環(huán)境下設計、定位和利用傳感系統(tǒng)。正如本文所表明的,即使溫度的微小變化也會由于傳感器模具上的不同熱應力而產生意想不到的結果。以下是一些提示:

· 傳感器應放置在電路板上,使傳感器的熱梯度最小。例如,線性調節(jié)器可以產生大量的熱量;因此,它們靠近傳感器可能會引起跨MEMS的溫度梯度,隨時間的變化,調節(jié)器內的電流輸出可能會變化。

· 如有可能,應將傳感器模塊部署在遠離空氣流動的地區(qū)(例如暖通空調),以避免頻繁的溫度波動。如果不可能,包外或包內的熱隔離是有幫助的,可以通過隔熱實現(xiàn)。需要考慮傳導和對流熱路徑。

· 建議選擇外殼的熱質量,以便在環(huán)境熱變化不可避免的情況下,降低環(huán)境熱波動。

結論

本文展示了高精度MEMS加速度計的性能如何在不充分考慮環(huán)境和機械影響的情況下降低。通過整體設計實踐和系統(tǒng)層面的專注點,敏銳的工程師可以為他們的傳感器系統(tǒng)達到優(yōu)異的性能。由于我們中的許多人在我們的生活中正經歷著前所未有的壓力,我們有必要認識到,與加速度計類似,它絕不會殺死我們--這是我們對它的反應!