在 第一部分 中本文综述了三轴高精度MEMS加速度计的内部结构。在 第二部分里面 ,我们回顾了如何获得一个良好的起始数据集,以建立基线性能,并验证在随后的数据分析中所期望的噪声水平。在本系列的最后一部分中,我们探讨了其他影响稳定性的因素,并提出了改进三轴高精度MEMS加速度计整体性能的机械系统设计建议。
一旦对设计中的热应力有了很好的理解,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。可重复性是指在同一条件下长时间连续测量的准确性。例如,在较长的时间内,对同一方向的重力场进行两次测量,测量同一温度下的重力,并观察它们的匹配情况。当评估传感器在无法适应常规维护校准的应用中的长期稳定性时,偏移和灵敏度的可重复性至关重要。许多传感器制造商在数据表中没有说明或说明长期稳定性。例如,在农业发展署的Adxl355数据表中,可重复性预测为10年的寿命,包括由于高温操作寿命试验(TA=150℃,VOT=3.6V和1000小时)、测量温度循环(-55℃至+125℃和1000个周期)、速度随机行走、宽带噪声和温度滞后所造成的测量位移。数据表中显示的可重复性 g 和+3米 g 分别用于X/Y和Z传感器。这些衡量对评价长期业绩很重要。
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,因为它与时间测量有关。例如,为了获得x轴2.5年的偏移可重复性(可能是一个终端产品的较短的飞行任务概况),使用以下公式: g × √(2.5 years/10 years) = ±1 m g .图1显示了Htol测试结果为0的示例 g 在23天内抵消32个设备的漂移。在这个图中,平方根定律是明显可见的。还应强调的是,由于MEMS传感器制造过程的变化,每个部件的性能各不相同,有些比另一些更好。
图1 500小时长期稳定的Adxl355。
机械系统设计建议
根据先前讨论中获得的知识,很明显,机械安装接口和外壳设计将有助于3轴高精度MEMS加速度计传感器的总体性能,因为它们将影响到传感器的物理应力。一般而言,机械安装、外壳和传感器构成二阶(或更高)系统;因此,其响应在共振或过度阻尼之间有所不同。
机械支持系统具有代表这些二阶系统的模式(由共振频率和质量因素定义)。在大多数情况下,目标是了解这些因素,尽量减少其对传感系统的影响。因此,应选择传感器将被包装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范围内的机械衰减(由于过度阻尼)或放大(由于共振)。这种设计考虑的细节不在本条的范围之内,但简要列出了一些实际项目:
多氯联苯、安装和封闭物
· 安全地将电路板连接到刚体衬底上。使用多个安装螺丝结合粘合剂在背面的印刷电路板提供最好的支持。
· 将传感器靠近安装螺丝或紧固件。如果电路板的几何形状很大(几英寸),在板中间使用多个安装螺丝,以避免电路板的低频率振动,这将连接到加速度计并被测量。
· 如果多氯联苯仅由凹槽/舌结构机械地支撑,则使用较厚的多氯联苯(建议使用大于2毫米厚的多氯联苯)。在具有较大几何形状的多氯联苯的情况下,增加厚度以保持系统的刚度。用有限元分析,如ANSYS或类似的,为最佳的印刷电路板几何和厚度的具体设计。
· 对于结构健康监测等长期测量传感器的应用,传感器的长期稳定性至关重要。应选择包装材料、多氯联苯和粘合材料,以尽量减少机械性能随时间推移的退化或变化,这可能会增加传感器的压力,从而抵消。
· 避免对圈圈的自然频率做出假设。在简单围护罩的情况下计算自然振动模式和在更复杂的围护设计的情况下进行有限元分析将是有用的。
· 从焊接加速度计到板材的压力增加已经被证明会导致最多几毫克的偏移。为了减轻这种影响,建议在印刷电路板着陆模式、热垫和通过铜迹在印刷电路板上的传导路径中保持对称。密切遵循加速计数据表中提供的焊接指南。还发现,在某些情况下,焊料退火或热循环在任何校准之前都有助于缓解应力积累和管理长期稳定性问题。
水柱化合物
定位化合物被广泛用于安全的电子在一个外壳内。如果传感器包是一种超模塑料,如陆网阵列(LGA),则由于其温度系数(TC)与封闭材料不匹配,导致压力被直接施加到传感器上,然后被偏移,因此极不鼓励使用陶罐化合物。三轴高精度MEMS加速度计,进入一个密封陶瓷包装显著保护传感器从TC效应。但是,随着时间的推移,由于材料的退化,在多氯联苯上的压力仍然会增加,这可能会通过硅模具的小热页对传感器造成压力。一般建议避免将传感器置于长期需要高稳定性的应用中。低应力共形涂料,如二甲苯C,可以提供某种形式的水分屏障,以替代种植。8
空气流动、传热和热平衡
为了达到最好的传感器性能,重要的是在优化温度稳定性的环境下设计、定位和利用传感系统。正如本文所表明的,即使温度的微小变化也会由于传感器模具上的不同热应力而产生意想不到的结果。以下是一些提示:
· 传感器应放置在电路板上,使传感器的热梯度最小。例如,线性调节器可以产生大量的热量;因此,它们靠近传感器可能会引起跨MEMS的温度梯度,随时间的变化,调节器内的电流输出可能会变化。
· 如有可能,应将传感器模块部署在远离空气流动的地区(例如暖通空调),以避免频繁的温度波动。如果不可能,包外或包内的热隔离是有帮助的,可以通过隔热实现。需要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情况下,降低环境热波动。
结论
本文展示了高精度MEMS加速度计的性能如何在不充分考虑环境和机械影响的情况下降低。通过整体设计实践和系统层面的专注点,敏锐的工程师可以为他们的传感器系统达到优异的性能。由于我们中的许多人在我们的生活中正经历着前所未有的压力,我们有必要认识到,与加速度计类似,它绝不会杀死我们--这是我们对它的反应!
