Optimaliseren van uiterst nauwkeurige kantel-/hoekdetectie:betere prestaties

In deel één van deze serie hebben we de interne structuur van een 3-assige MEMS-versnellingsmeter met hoge precisie beoordeeld. In deel twee hebben we bekeken hoe we een goede startdataset kunnen verwerven om baselineprestaties vast te stellen en te valideren wat voor soort ruisniveaus we kunnen verwachten in volgende data-analyses. In deze laatste aflevering van onze serie onderzoeken we andere factoren die van invloed zijn op de stabiliteit en bieden we vervolgens aanbevelingen voor mechanisch systeemontwerp om de algehele prestaties van een 3-assige MEMS-versnellingsmeter met hoge precisie te verbeteren.

Zodra thermische spanningen in het ontwerp goed worden begrepen, is een ander belangrijk aspect van traagheidssensoren hun stabiliteit op lange termijn, of herhaalbaarheid. Herhaalbaarheid wordt gedefinieerd als de nauwkeurigheid van opeenvolgende metingen onder dezelfde conditie gedurende een lange tijdsperiode. Bijvoorbeeld twee metingen doen van een zwaartekrachtveld in dezelfde oriëntatie ten opzichte van de zwaartekracht bij dezelfde temperatuur over een langere periode en kijken hoe goed ze overeenkomen. Herhaalbaarheid voor offset en gevoeligheid zijn van het grootste belang bij het beoordelen van de stabiliteit op lange termijn van een sensor in toepassingen die niet geschikt zijn voor regelmatige onderhoudskalibratie. Veel sensorfabrikanten karakteriseren of specificeren geen stabiliteit op lange termijn in hun datasheets. In het ADXL355-gegevensblad van ADI wordt bijvoorbeeld de herhaalbaarheid voorspeld voor een levensduur van 10 jaar en omvat gemeten verschuivingen als gevolg van de levensduurtest bij hoge temperatuur (HTOL) (TA =150°C, VSUPPLY =3,6 V en 1000 uur), gemeten temperatuurwisselingen (-55 °C tot +125 °C en 1000 cycli), willekeurige snelheidswandeling, breedbandruis en temperatuurhysterese. Herhaalbaarheid zoals weergegeven in het gegevensblad is ±2 mg en ±3 mg voor respectievelijk X/Y- en Z-sensoren. Deze metingen zijn belangrijk voor het evalueren van prestaties op lange termijn.

Herhaalbaarheid onder stabiele mechanische, omgevings- en traagheidscondities volgt de vierkantswortelwet met betrekking tot de gemeten tijd. Om bijvoorbeeld een offset-herhaalbaarheid van de x-as voor 2,5 jaar te verkrijgen (mogelijk een korter missieprofiel voor een eindproduct), gebruikt u de volgende vergelijking:±2 mg × √(2,5 jaar/10 jaar) =±1 mg . Afbeelding 1 toont een voorbeeld van een HTOL-testresultaat van 0 g offset drift van 32 apparaten over 23 dagen. De vierkantswortelwet is duidelijk waarneembaar in deze figuur. Er moet ook worden benadrukt dat elk onderdeel zich anders gedraagt ​​- sommige presteren beter dan andere - als gevolg van procesvariaties in de fabricage van de MEMS-sensoren.

Figuur 1. 500 uur lange-termijn stabiliteit van de ADXL355. (Bron:Analoge apparaten)

Aanbevelingen voor mechanisch systeemontwerp

Gewapend met de kennis uit de vorige discussie, is het duidelijk dat mechanische montage-interfaces en behuizingsontwerp zullen bijdragen aan de algehele prestaties van een 3-assige MEMS-versnellingsmetersensor met hoge precisie, omdat ze de fysieke spanningen die naar de sensor worden doorgegeven, zullen beïnvloeden. In het algemeen vormen de mechanische montage, de behuizing en de sensor een systeem van de tweede orde (of hoger); daarom varieert de respons tussen resonantie of overgedempt.

Mechanische ondersteuningssystemen hebben modi die deze systemen van de tweede orde vertegenwoordigen (gedefinieerd door resonantiefrequentie en kwaliteitsfactor). In de meeste gevallen is het doel deze factoren te begrijpen en hun impact op het waarnemingssysteem te minimaliseren. Daarom moet de geometrie van elke behuizing waarin de sensor wordt verpakt, en alle interfaces en materialen, worden gekozen om mechanische verzwakking (als gevolg van overdemping) of versterking (als gevolg van resonantie) binnen de bandbreedte van de accelerometertoepassing te voorkomen. De details van dergelijke ontwerpoverwegingen vallen buiten het bestek van dit artikel; enkele praktische zaken worden echter kort opgesomd:

PCB, montage en behuizing

• Bevestig de printplaat stevig op een stevig lichaamssubstraat. Het gebruik van meerdere montageschroeven in combinatie met lijm aan de achterzijde van de print biedt de beste ondersteuning.
• Plaats de sensor dicht bij een montageschroef of een bevestigingsmiddel. Als de PCB-geometrie groot is (enkele inches), gebruik dan meerdere montageschroeven in het midden van het bord om laagfrequente trillingen van de PCB te voorkomen, die aan de versnellingsmeter worden gekoppeld en worden gemeten.
• Als PCB's alleen mechanisch worden ondersteund door een groef/tongstructuur, gebruik dan een dikkere PCB (een dikte van meer dan 2 mm wordt aanbevolen). In het geval van PCB's met een grotere geometrie, vergroot u de dikte om de stijfheid van het systeem te behouden. Gebruik eindige elementenanalyse, zoals ANSYS of iets dergelijks, voor de optimale PCB-geometrie en dikte voor een specifiek ontwerp.
• Voor toepassingen zoals structurele gezondheidsmonitoring waarbij sensoren gedurende een lange periode worden gemeten, is de stabiliteit van de sensoren op lange termijn van cruciaal belang. Verpakkingen, PCB's en zelfklevende materialen moeten worden gekozen om degradatie of verandering in mechanische eigenschappen in de loop van de tijd tot een minimum te beperken, wat zou kunnen bijdragen aan extra spanningen op de sensor, en dus offsets.
• Vermijd aannames over de natuurlijke frequenties van de behuizing. Berekening van natuurlijke trillingsmodi in het geval van eenvoudige behuizingen en eindige-elementenanalyse in het geval van complexere behuizingsontwerpen zal nuttig zijn.
• Het is aangetoond dat spanningsopbouw bij het solderen van de accelerometer op een bord een offsetverschuiving tot enkele mg veroorzaakt. Om dit effect te verminderen, worden symmetrie in het PCB-landingspatroon, thermische pads en geleidingspaden door kopersporen op PCB's aanbevolen. Volg nauwgezet de soldeergids in het gegevensblad van de versnellingsmeter. Er wordt ook waargenomen dat in sommige gevallen soldeergloeien of thermische cycli voorafgaand aan een kalibratie nuttig zijn om de spanningsopbouw te verlichten en stabiliteitsproblemen op de langere termijn te beheersen.

Potverbindingen

Potgrondverbindingen worden veel gebruikt om elektronica in een behuizing te beveiligen. Als het sensorpakket een overmolded plastic is, zoals een land grid array (LGA), wordt het gebruik van potgrondstoffen ten zeerste afgeraden vanwege hun temperatuurcoëfficiënt (TC) die niet overeenkomt met het materiaal van de behuizing, waardoor er direct druk op de sensor wordt uitgeoefend en vervolgens wordt gecompenseerd . Een 3-assige MEMS-versnellingsmeter met hoge precisie die wordt geleverd in een hermetisch afgesloten keramisch pakket, beschermt de sensor aanzienlijk tegen het TC-effect. Maar potgrondstoffen kunnen nog steeds bijdragen aan de opbouw van spanning op de PCB als gevolg van materiaaldegradatie in de tijd, waardoor de sensor mogelijk wordt belast door kleine kromtrekkingen van de siliciummatrijs. Het wordt over het algemeen aanbevolen om de sensoren niet in te potten in toepassingen waarin een hoge stabiliteit in de tijd vereist is. Conforme coatings met lage spanning, zoals paryleen C, kunnen een vorm van vochtbarrière bieden als vervanging voor oppotten. ⁸

Luchtstroom, warmteoverdracht en thermische balans

Om de beste sensorprestaties te bereiken, is het belangrijk om het sensorsysteem te ontwerpen, te lokaliseren en te gebruiken in een omgeving waar de temperatuurstabiliteit is geoptimaliseerd. Zoals dit artikel laat zien, kunnen zelfs kleine temperatuurveranderingen onverwachte resultaten opleveren als gevolg van differentiële thermische spanningen op de sensormatrijs. Hier zijn enkele tips:

• De sensor moet zo op de printplaat worden geplaatst dat de thermische gradiënten over de sensor minimaal zijn. Lineaire regelaars kunnen bijvoorbeeld aanzienlijke hoeveelheden warmte genereren; daarom kan hun nabijheid tot de sensor temperatuurgradiënten veroorzaken over de MEMS die kunnen variëren met de stroomuitgangen in de tijd in de regelaar.
• Indien mogelijk moet de sensormodule worden gebruikt in gebieden die ver van luchtstromen verwijderd zijn (bijvoorbeeld HVAC) om frequente temperatuurschommelingen te voorkomen. Indien niet mogelijk, is thermische isolatie buiten of binnen de verpakking nuttig en kan worden bereikt met thermische isolatie. Merk op dat zowel geleiding als convectie thermische paden moeten worden overwogen.
• Het wordt aanbevolen om de thermische massa van de behuizing zo te kiezen dat deze thermische schommelingen in de omgeving dempt in toepassingen waar thermische veranderingen in de omgeving onvermijdelijk zijn.

Conclusie

Dit artikel heeft laten zien hoe de prestaties van een MEMS-versnellingsmeter met hoge precisie kunnen worden verslechterd zonder voldoende rekening te houden met omgevings- en mechanische effecten. Door holistische ontwerppraktijken en een focus op systeemniveau kunnen veeleisende ingenieurs uitstekende prestaties behalen voor hun sensorsysteem. Aangezien velen van ons ongekende stress in ons leven ervaren, is het nuttig om te beseffen dat, net als bij versnellingsmeters, het nooit de stress is die ons doodt - het is onze reactie erop!

Referenties

• Chris Murphy. "De meest geschikte MEMs-versnellingsmeter kiezen voor uw toepassing - deel 1." Analoge Dialoog, Vol. 51, nr. 4, oktober 2017.
• Chris Murphy. "Accelerometer Tilt Maatregel over temperatuur en in aanwezigheid van trillingen." Analoge dialoog, augustus 2017.
• SDP-K1 evaluatiesysteem. Analog Devices, Inc.
• Mbed:Gebruikershandleiding voor SDP-K1. Analog Devices, Inc.
• PanaVise scharnierarmbevestiging. PanaVise.
• Mbed-code. Analog Devices, Inc.
• Weller 6966C verwarmings-/koelluchtpistool. Weller.
• Paryleen. Wikipedia.