优化高精度倾斜/角度感测：提高性能

在本系列的第一部分中，我们回顾了 3 轴高精度 MEMS 加速度计的内部结构。在第二部分中，我们回顾了如何获取良好的起始数据集以建立基线性能并验证后续数据分析中预期的噪声级别。在我们系列的最后一部分中，我们探讨了影响稳定性的其他因素，然后提供机械系统设计建议，以提高 3 轴高精度 MEMS 加速度计的整体性能。

一旦很好地理解了设计中的热应力，惯性传感器的另一个重要方面就是它们的长期稳定性或可重复性。重复性定义为在相同条件下长时间连续测量的准确度。例如，在相同的温度下，在较长的一段时间内对相同方向的重力场进行两次测量，并观察它们的匹配程度。在无法进行定期维护校准的应用中评估传感器的长期稳定性时，偏移和灵敏度的可重复性至关重要。许多传感器制造商没有在他们的数据表中描述或指定长期稳定性。例如，在 ADI 的 ADXL355 数据表中，预测了 10 年寿命的可重复性，包括由于高温工作寿命测试 (HTOL)（TA =150°C、VSUPPLY =3.6 V 和 1000 小时）而导致的测量偏移，测量温度循环（-55°C 至 +125°C 和 1000 次循环）、速度随机游走、宽带噪声和温度滞后。数据表中显示的重复性为 ±2 mg 和±3 mg 分别用于 X/Y 和 Z 传感器。这些衡量指标对于评估长期绩效非常重要。

在稳定的机械、环境和惯性条件下的可重复性遵循平方根定律，因为它与测量时间有关。例如，要获得 2.5 年的 x 轴偏移重复性（可能是最终产品的较短任务剖面），请使用以下等式：±2 mg × √(2.5 年/10 年) =±1 mg .图 1 显示了 0 g 的示例 HTOL 测试结果 在 23 天内抵消 32 个设备的漂移。在这个图中可以清楚地观察到平方根定律。还应该强调的是，由于 MEMS 传感器的制造工艺差异，每个部件的行为都不同——有些部件的性能比其他部件更好。

图 1. ADXL355 的 500 小时长期稳定性。 （来源：Analog Devices）

机械系统设计建议

根据前面讨论的知识，很明显机械安装接口和外壳设计将有助于 3 轴高精度 MEMS 加速度计传感器的整体性能，因为它们会影响传播到传感器的物理应力。一般来说，机械安装、外壳和传感器构成一个二阶（或更高阶）系统；因此，它的响应在共振或过阻尼之间变化。

机械支撑系统具有代表这些二阶系统的模式（由谐振频率和品质因数定义）。在大多数情况下，目标是了解这些因素并尽量减少它们对传感系统的影响。因此，应选择封装传感器的任何外壳的几何形状以及所有接口和材料，以避免在加速度计应用的带宽内发生机械衰减（由于过阻尼）或放大（由于共振）。此类设计注意事项的详细信息超出了本文的范围；然而，一些实用的项目被简要列出：

PCB、安装和外壳

• 将 PCB 牢固地连接到刚体基板上。将多个安装螺钉与 PCB 背面的粘合剂结合使用可提供最佳支撑。
• 将传感器靠近安装螺钉或紧固件。如果 PCB 的几何尺寸很大（几英寸），请在板的中间使用多个安装螺钉，以避免 PCB 的低频振动，这会耦合到加速度计并被测量。
• 如果 PCB 仅由凹槽/榫舌结构提供机械支撑，请使用更厚的 PCB（建议厚度大于 2 毫米）。对于具有较大几何形状的 PCB，增加厚度以保持系统的刚度。使用有限元分析（如 ANSYS 或类似方法）为特定设计优化 PCB 几何形状和厚度。
• 对于需要长时间测量传感器的结构健康监测等应用，传感器的长期稳定性至关重要。应选择封装、PCB 和粘合剂材料，以尽量减少机械性能随时间推移的退化或变化，这可能会导致传感器承受额外的应力，从而导致偏移。
• 避免对外壳的自然频率做出假设。在简单外壳的情况下计算固有振动模式，在更复杂的外壳设计的情况下进行有限元分析将很有用。
• 已证明将加速度计焊接到电路板上产生的应力会导致高达几毫克的偏移偏移。为了减轻这种影响，建议在 PCB 着陆图案、散热垫和通过 PCB 上的铜迹线的传导路径中对称。严格遵循加速度计数据表中提供的焊接指南。还观察到，在某些情况下，在任何校准之前进行焊料退火或热循环有助于缓解应力积累和管理长期稳定性问题。

灌封化合物

灌封化合物广泛用于保护外壳内的电子设备。如果传感器封装是包覆成型的塑料，例如焊盘网格阵列 (LGA)，则非常不鼓励使用灌封化合物，因为它们的温度系数 (TC) 与外壳材料不匹配，导致压力直接施加在传感器上然后偏移.采用密封陶瓷封装的 3 轴高精度 MEMS 加速度计可显着保护传感器免受 TC 效应的影响。但是，由于材料随时间推移而退化，灌封化合物仍然会导致 PCB 上的应力积聚，从而可能通过硅芯片的小翘曲对传感器造成应变。通常建议在需要高稳定性的应用中避免灌封传感器。聚对二甲苯 C 等低应力保形涂层可以提供某种形式的防潮层，以替代灌封。 ⁸

气流、传热和热平衡

为实现最佳传感器性能，重要的是在优化温度稳定性的环境中设计、定位和利用传感系统。正如本文所示，由于传感器芯片上的不同热应力，即使温度的微小变化也会出现意想不到的结果。以下是一些提示：

• 传感器应放置在 PCB 上，以使传感器上的热梯度最小。例如，线性稳压器会产生大量热量；因此，它们靠近传感器会导致整个 MEMS 的温度梯度随着时间的推移在调节器中随电流输出而变化。
• 如果可能，传感器模块应部署在远离气流的区域（例如 HVAC），以避免频繁的温度波动。如果不可能，封装外部或内部的隔热会很有帮助，并且可以通过隔热来实现。请注意，需要同时考虑传导和对流热路径。
• 建议选择外壳的热质量，以便在环境热变化不可避免的应用中抑制环境热波动。

结论

本文展示了如何在不充分考虑环境和机械影响的情况下降低高精度 MEMS 加速度计的性能。通过整体设计实践和对系统级别的关注，有眼光的工程师可以为他们的传感器系统实现卓越的性能。由于我们中的许多人都在经历着生活中前所未有的压力，因此认识到，与加速度计类似，杀死我们的从来不是压力——而是我们对它的反应！

参考文献

• 克里斯·墨菲。 “为您的应用选择最合适的 MEMS 加速度计——第 1 部分。”模拟对话，卷。 2017 年 10 月，第 51 期，第 4 期。
• 克里斯·墨菲。 “加速度计倾斜测量温度和存在振动的情况。”模拟对话，2017 年 8 月。
• SDP-K1 评估系统。模拟设备公司
• Mbed：SDP-K1 用户指南。模拟设备公司
• PanaVise 铰接式臂架。 PanaVise。
• Mbed 代码。模拟设备公司
• Weller 6966C 加热/冷却风枪。韦勒。
• 聚对二甲苯。维基百科。