【導(dǎo)讀】本文展示了高精度 MEMS 加速度計的性能如何在沒有充分考慮環(huán)境和機械影響的情況下降低。通過整體設(shè)計實踐和對系統(tǒng)級的關(guān)注，眼光敏銳的工程師可以為其傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)卓越的性能。由于我們中的許多人在生活中都經(jīng)歷著前所未有的壓力，意識到這一點很有用，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(yīng)！
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(nèi)部結(jié)構(gòu)。在第二部分中，我們回顧了如何獲取良好的起始數(shù)據(jù)集以建立基線性能并驗證在后續(xù)數(shù)據(jù)分析中預(yù)期的噪聲水平類型。在我們系列的一期中，我們探討了影響穩(wěn)定性的其他因素，然后提供機械系統(tǒng)設(shè)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(shè)計中的熱應(yīng)力，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(fù)性。重復(fù)性定義為長時間內(nèi)在相同條件下連續(xù)測量的準(zhǔn)確度。例如，在較長時間內(nèi)在相同溫度下以相同方向?qū)χ亓鲞M行兩次測量，并查看它們的匹配程度。在無法進行定期維護校準(zhǔn)的應(yīng)用中評估傳感器的長期穩(wěn)定性時，偏移和靈敏度的可重復(fù)性至關(guān)重要。許多傳感器制造商并未在其數(shù)據(jù)表中描述或指定長期穩(wěn)定性。以ADI公司的ADXL355數(shù)據(jù)手冊為例，預(yù)測 10 年壽命的可重復(fù)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）、測量的溫度循環(huán)（?55°C 至 + 125°C 和 1000 個周期）、速度隨機游走、寬帶噪聲和溫度滯后。數(shù)據(jù)表中顯示的重復(fù)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期性能很重要。
穩(wěn)定的機械、環(huán)境和慣性條件下的可重復(fù)性遵循與測量時間相關(guān)的平方根定律。例如，要獲得 x 軸 2.5 年的偏移重復(fù)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(nèi) 32 個器件的 0 g偏移漂移的 HTOL 測試結(jié)果示例。在此圖中可以清楚地觀察到平方根定律。還應(yīng)強調(diào)的是，由于 MEMS 傳感器制造過程中的工藝差異，每個部分的行為都不同——有些表現(xiàn)優(yōu)于其他部分。
圖 1. ADXL355 的 500 小時長期穩(wěn)定性。（：Analog Devices）
機械系統(tǒng)設(shè)計建議
根據(jù)前面討論的知識，很明顯，機械安裝接口和外殼設(shè)計將有助于 3 軸高精度 MEMS 加速度計傳感器的整體性能，因為它們會影響傳播到傳感器的物理應(yīng)力。通常，機械安裝、外殼和傳感器構(gòu)成二階（或更高階）系統(tǒng)；因此，它的響應(yīng)在共振或過阻尼之間變化。
機械支撐系統(tǒng)具有代表這些二階系統(tǒng)的模式（由共振頻率和品質(zhì)因數(shù)定義）。在大多數(shù)情況下，目標(biāo)是了解這些因素并將它們對傳感系統(tǒng)的影響降至。因此，應(yīng)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(yīng)用帶寬內(nèi)的機械衰減（由于過阻尼）或放大（由于共振）。此類設(shè)計注意事項的詳細信息超出了本文的范圍；但是，簡要列出了一些實用項目：
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安裝螺釘，以避免 PCB 的低頻振動耦合到加速度計并進行測量。
如果 PCB 僅由凹槽/舌結(jié)構(gòu)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(tǒng)的剛度。使用有限元分析，如 ANSYS 或類似軟件，為特定設(shè)計優(yōu)化 PCB 幾何形狀和厚度。
對于需要長時間測量傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等應(yīng)用，傳感器的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要。應(yīng)選擇封裝、PCB 和粘合劑材料，以限度地減少機械性能隨時間的退化或變化，這可能會導(dǎo)致傳感器上的額外應(yīng)力，從而導(dǎo)致偏移。
避免對外殼的固有頻率做出假設(shè)。簡單外殼的自然振動模式計算和更復(fù)雜的外殼設(shè)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(yīng)力累積已被證明會導(dǎo)致高達幾毫克的偏移偏移。為減輕這種影響，建議 PCB 著陸圖案、散熱墊和通過 PCB 上銅走線的傳導(dǎo)路徑對稱。嚴(yán)格按照加速度計數(shù)據(jù)表中提供的焊接指南進行操作。還觀察到，在某些情況下，在任何校準(zhǔn)之前進行焊料退火或熱循環(huán)有助于緩解應(yīng)力累積和管理長期穩(wěn)定性問題。
灌封料
灌封化合物廣泛用于將電子設(shè)備固定在外殼內(nèi)。如果傳感器封裝是包覆成型塑料，例如焊盤柵格陣列 (LGA)，則強烈建議不要使用灌封化合物，因為它們的溫度系數(shù) (TC) 與外殼材料不匹配，會導(dǎo)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 加速度計可顯著保護傳感器免受 TC 效應(yīng)的影響。但是，由于材料隨時間退化，灌封化合物仍然會導(dǎo)致 PCB 上的應(yīng)力累積，從而可能通過硅芯片的小翹曲對傳感器造成應(yīng)變。通常建議避免在需要高穩(wěn)定性的應(yīng)用中對傳感器進行灌封。8個
氣流、傳熱和熱平衡
為實現(xiàn)傳感器性能，重要的是在溫度穩(wěn)定性得到優(yōu)化的環(huán)境中設(shè)計、定位和使用傳感系統(tǒng)。正如本文所示，由于傳感器管芯上的熱應(yīng)力差異，即使是很小的溫度變化也會顯示出意想不到的結(jié)果。以下是一些提示：
傳感器應(yīng)放置在 PCB 上，以使傳感器上的熱梯度。例如，線性穩(wěn)壓器會產(chǎn)生大量熱量；因此，它們靠近傳感器會導(dǎo)致整個 MEMS 的溫度梯度可能隨調(diào)節(jié)器中的電流輸出隨時間而變化。
如果可能，傳感器模塊應(yīng)部署在遠離氣流的區(qū)域（例如 HVAC），以避免溫度頻繁波動。如果不可能，封裝外部或內(nèi)部的熱隔離是有幫助的，并且可以通過熱絕緣來實現(xiàn)。請注意，需要考慮傳導(dǎo)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(yīng)用中抑制環(huán)境熱波動。
結(jié)論
本文展示了高精度 MEMS 加速度計的性能如何在沒有充分考慮環(huán)境和機械影響的情況下降低。通過整體設(shè)計實踐和對系統(tǒng)級的關(guān)注，眼光敏銳的工程師可以為其傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)卓越的性能。由于我們中的許多人在生活中都經(jīng)歷著前所未有的壓力，意識到這一點很有用，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(yīng)！
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