在?第一部分 中本文綜述了三軸高精度MEMS加速度計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在?第二部分里面 ,我們回顧了如何獲得一個(gè)良好的起始數(shù)據(jù)集,以建立基線性能,并驗(yàn)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(jìn)三軸高精度MEMS加速度計(jì)整體性能的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議。

一旦對(duì)設(shè)計(jì)中的熱應(yīng)力有了很好的理解,慣性傳感器的另一個(gè)重要方面就是它們的長(zhǎng)期穩(wěn)定性或可重復(fù)性?？芍貜?fù)性是指在同一條件下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。例如,在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),對(duì)同一方向的重力場(chǎng)進(jìn)行兩次測(cè)量,測(cè)量同一溫度下的重力,并觀察它們的匹配情況。當(dāng)評(píng)估傳感器在無(wú)法適應(yīng)常規(guī)維護(hù)校準(zhǔn)的應(yīng)用中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性時(shí),偏移和靈敏度的可重復(fù)性至關(guān)重要。許多傳感器制造商在數(shù)據(jù)表中沒(méi)有說(shuō)明或說(shuō)明長(zhǎng)期穩(wěn)定性。例如,在農(nóng)業(yè)發(fā)展署的Adxl355數(shù)據(jù)表中,可重復(fù)性預(yù)測(cè)為10年的壽命,包括由于高溫操作壽命試驗(yàn)(TA=150℃,VOT=3.6V和1000小時(shí))、測(cè)量溫度循環(huán)(-55℃至+125℃和1000個(gè)周期)、速度隨機(jī)行走、寬帶噪聲和溫度滯后所造成的測(cè)量位移。數(shù)據(jù)表中顯示的可重復(fù)性 g 和+3米 g 分別用于X/Y和Z傳感器。這些衡量對(duì)評(píng)價(jià)長(zhǎng)期業(yè)績(jī)很重要。

穩(wěn)定的機(jī)械、環(huán)境和慣性條件下的可重復(fù)性遵循平方根定律,因?yàn)樗c時(shí)間測(cè)量有關(guān)。例如,為了獲得x軸2.5年的偏移可重復(fù)性(可能是一個(gè)終端產(chǎn)品的較短的飛行任務(wù)概況),使用以下公式: g × √(2.5 years/10 years) = ±1 m g .圖1顯示了Htol測(cè)試結(jié)果為0的示例 g 在23天內(nèi)抵消32個(gè)設(shè)備的漂移。在這個(gè)圖中,平方根定律是明顯可見(jiàn)的。還應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是,由于MEMS傳感器制造過(guò)程的變化,每個(gè)部件的性能各不相同,有些比另一些更好。

圖1         500小時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定的Adxl355。

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議

根據(jù)先前討論中獲得的知識(shí),很明顯,機(jī)械安裝接口和外殼設(shè)計(jì)將有助于3軸高精度MEMS加速度計(jì)傳感器的總體性能,因?yàn)樗鼈儗⒂绊懙絺鞲衅鞯奈锢響?yīng)力。一般而言,機(jī)械安裝、外殼和傳感器構(gòu)成二階(或更高)系統(tǒng);因此,其響應(yīng)在共振或過(guò)度阻尼之間有所不同。

機(jī)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(zhì)量因素定義)。在大多數(shù)情況下,目標(biāo)是了解這些因素,盡量減少其對(duì)傳感系統(tǒng)的影響。因此,應(yīng)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(jì)應(yīng)用的帶寬范圍內(nèi)的機(jī)械衰減(由于過(guò)度阻尼)或放大(由于共振)。這種設(shè)計(jì)考慮的細(xì)節(jié)不在本條的范圍之內(nèi),但簡(jiǎn)要列出了一些實(shí)際項(xiàng)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(gè)安裝螺絲結(jié)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(gè)安裝螺絲,以避免電路板的低頻率振動(dòng),這將連接到加速度計(jì)并被測(cè)量。

· 如果多氯聯(lián)苯僅由凹槽/舌結(jié)構(gòu)機(jī)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(lèi)似的,為最佳的印刷電路板幾何和厚度的具體設(shè)計(jì)。

· 對(duì)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等長(zhǎng)期測(cè)量傳感器的應(yīng)用,傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性至關(guān)重要。應(yīng)選擇包裝材料、多氯聯(lián)苯和粘合材料,以盡量減少機(jī)械性能隨時(shí)間推移的退化或變化,這可能會(huì)增加傳感器的壓力,從而抵消。

· 避免對(duì)圈圈的自然頻率做出假設(shè)。在簡(jiǎn)單圍護(hù)罩的情況下計(jì)算自然振動(dòng)模式和在更復(fù)雜的圍護(hù)設(shè)計(jì)的情況下進(jìn)行有限元分析將是有用的。

· 從焊接加速度計(jì)到板材的壓力增加已經(jīng)被證明會(huì)導(dǎo)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(guò)銅跡在印刷電路板上的傳導(dǎo)路徑中保持對(duì)稱。密切遵循加速計(jì)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(zhǔn)之前都有助于緩解應(yīng)力積累和管理長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題。

水柱化合物

定位化合物被廣泛用于安全的電子在一個(gè)外殼內(nèi)。如果傳感器包是一種超模塑料,如陸網(wǎng)陣列(LGA),則由于其溫度系數(shù)(TC)與封閉材料不匹配,導(dǎo)致壓力被直接施加到傳感器上,然后被偏移,因此極不鼓勵(lì)使用陶罐化合物。三軸高精度MEMS加速度計(jì),進(jìn)入一個(gè)密封陶瓷包裝顯著保護(hù)傳感器從TC效應(yīng)。但是,隨著時(shí)間的推移,由于材料的退化,在多氯聯(lián)苯上的壓力仍然會(huì)增加,這可能會(huì)通過(guò)硅模具的小熱頁(yè)對(duì)傳感器造成壓力。一般建議避免將傳感器置于長(zhǎng)期需要高穩(wěn)定性的應(yīng)用中。低應(yīng)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(dòng)、傳熱和熱平衡

為了達(dá)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(shè)計(jì)、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(huì)由于傳感器模具上的不同熱應(yīng)力而產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。以下是一些提示:

· 傳感器應(yīng)放置在電路板上,使傳感器的熱梯度最小。例如,線性調(diào)節(jié)器可以產(chǎn)生大量的熱量;因此,它們靠近傳感器可能會(huì)引起跨MEMS的溫度梯度,隨時(shí)間的變化,調(diào)節(jié)器內(nèi)的電流輸出可能會(huì)變化。

· 如有可能,應(yīng)將傳感器模塊部署在遠(yuǎn)離空氣流動(dòng)的地區(qū)(例如暖通空調(diào)),以避免頻繁的溫度波動(dòng)。如果不可能,包外或包內(nèi)的熱隔離是有幫助的,可以通過(guò)隔熱實(shí)現(xiàn)。需要考慮傳導(dǎo)和對(duì)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情況下,降低環(huán)境熱波動(dòng)。

結(jié)論

本文展示了高精度MEMS加速度計(jì)的性能如何在不充分考慮環(huán)境和機(jī)械影響的情況下降低。通過(guò)整體設(shè)計(jì)實(shí)踐和系統(tǒng)層面的專注點(diǎn),敏銳的工程師可以為他們的傳感器系統(tǒng)達(dá)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(jīng)歷著前所未有的壓力,我們有必要認(rèn)識(shí)到,與加速度計(jì)類(lèi)似,它絕不會(huì)殺死我們--這是我們對(duì)它的反應(yīng)!