优化高精度倾斜／角度感测：增强性能

在本系列的第 1 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在后续数据分析中预期的噪声水平类型。在我们系列的一期中，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。

一旦充分了解设计中的热应力，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。重复性定义为长时间内在相同条件下连续测量的准确度。例如，在较长时间内在相同温度下以相同方向对重力场进行两次测量，并查看它们的匹配程度。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。许多传感器制造商并未在其数据表中描述或指定长期稳定性。以ADI公司的ADXL355数据手册为例，预测 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）、测量的温度循环（?55°C 至 + 125°C 和 1000 个周期）、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 m对于 X/Y 和 Z 传感器，分别为g和 ±3 m g。这些测量对于评估长期性能很重要。

稳定的机械、环境和惯性条件下的可重复性遵循与测量时间相关的平方根定律。例如，要获得 x 轴 2.5 年的偏移重复性（终产品的任务概况可能更短），请使用以下等式：±2 m g × √ （ 2.5 年/10 年）= ±1 m g . 图 1 显示了 23 天内 32 个器件的 0 g偏移漂移的 HTOL 测试结果示例。在此图中可以清楚地观察到平方根定律。还应强调的是，由于 MEMS 传感器制造过程中的工艺差异，每个部分的行为都不同——有些表现优于其他部分。

图 1. ADXL355 的 500 小时长期稳定性。（：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。通常，机械安装、外壳和传感器构成二阶（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（由共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将它们对传感系统的影响降至。因此，应选择传感器将封装在其中的任何外壳的几何形状以及所有接口和材料，以避免加速度计应用带宽内的机械衰减（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；但是，简要列出了一些实用项目：

印刷电路板、安装和外壳

将 PCB 牢固地连接到刚体基板上。在 PCB 背面使用多个安装螺钉和粘合剂可提供支撑。

将传感器放置在安装螺钉或紧固件附近。如果 PCB 几何尺寸较大（几英寸），请在板中间使用多个安装螺钉，以避免 PCB 的低频振动耦合到加速度计并进行测量。

如果 PCB 仅由凹槽/舌结构机械支撑，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 或类似软件，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，以限度地减少机械性能随时间的退化或变化，这可能会导致传感器上的额外应力，从而导致偏移。

避免对外壳的固有频率做出假设。简单外壳的自然振动模式计算和更复杂的外壳设计的有限元分析将很有用。

将加速度计焊接到电路板上产生的应力累积已被证明会导致高达几毫克的偏移偏移。为减轻这种影响，建议 PCB 着陆图案、散热垫和通过 PCB 上铜走线的传导路径对称。严格按照加速度计数据表中提供的焊接指南进行操作。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累积和管理长期稳定性问题。

灌封料

灌封化合物广泛用于将电子设备固定在外壳内。如果传感器封装是包覆成型塑料，例如焊盘栅格阵列 (LGA)，则强烈建议不要使用灌封化合物，因为它们的温度系数 (TC) 与外壳材料不匹配，会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，由于材料随时间退化，灌封化合物仍然会导致 PCB 上的应力累积，从而可能通过硅芯片的小翘曲对传感器造成应变。通常建议避免在需要高稳定性的应用中对传感器进行灌封。8个

气流、传热和热平衡

为实现传感器性能，重要的是在温度稳定性得到优化的环境中设计、定位和使用传感系统。正如本文所示，由于传感器管芯上的热应力差异，即使是很小的温度变化也会显示出意想不到的结果。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。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 的温度梯度可能随调节器中的电流输出随时间而变化。

如果可能，传感器模块应部署在远离气流的区域（例如 HVAC），以避免温度频繁波动。如果不可能，封装外部或内部的热隔离是有帮助的，并且可以通过热绝缘来实现。请注意，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应用中抑制环境热波动。

结论

本文展示了高精度 MEMS 加速度计的性能如何在没有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对系统级的关注，眼光敏锐的工程师可以为其传感器系统实现卓越的性能。由于我们中的许多人在生活中都经历着前所未有的压力，意识到这一点很有用，就像加速度计一样，杀死我们的永远不是压力——而是我们对它的反应！