加速度計(jì)是非常棒的傳感器,它能感應(yīng)到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的加速度,這種加速度隨重力方向的不同而變化,以適應(yīng)橋梁開始失效的微妙運(yùn)動(dòng)。這些傳感器的范圍從手機(jī)級設(shè)備,改變你的顯示時(shí),當(dāng)你傾斜他們的方向,出口控制,戰(zhàn)術(shù)級設(shè)備,幫助導(dǎo)航軍事車輛或航天器。然而,和大多數(shù)傳感器一樣,對于傳感器來說,在實(shí)驗(yàn)室或工作臺上表現(xiàn)出色是一回事。在環(huán)境和溫度壓力下,在系統(tǒng)層面上獲得這種性能是另一回事了。當(dāng)加速計(jì)像人類一樣在其生命周期中經(jīng)歷前所未有的壓力時(shí),系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)檫@些壓力的影響而發(fā)生反應(yīng)和失效。

高精度的傾斜傳感系統(tǒng)通常進(jìn)行校準(zhǔn),以獲得高于1°的傾斜精度。利用市場領(lǐng)先的超低噪音和高度穩(wěn)定的加速度計(jì),例如?Adxl354 或?Adxl355 ,如能適當(dāng)校正可觀測的誤差源,可達(dá)到0.005度的傾斜精度。然而,只有在壓力得到適當(dāng)緩解的情況下,才能達(dá)到這一精確水平。例如,傳感器上的壓縮/拉伸應(yīng)力可造成高達(dá)20毫克的抵消,因此在1°以上傾斜不準(zhǔn)確。

本文綜述了用加速度計(jì)測量高精度角/傾斜傳感系統(tǒng)的性能指標(biāo)。我們將在本文中首先了解傳感器的微觀設(shè)計(jì),以便更好地理解到微米級的壓力和應(yīng)變的影響。在另一篇文章中,我們將介紹一些令人吃驚的結(jié)果,如果不采用整體的機(jī)械和物理設(shè)計(jì)方法,這些結(jié)果可能會(huì)發(fā)生。最后,我們將結(jié)束這個(gè)系列,設(shè)計(jì)師可以采取具體步驟,在最高要求的應(yīng)用程序中最大限度地提高性能。

傳感器設(shè)計(jì)的基本原理

基于內(nèi)存的加速計(jì)可以運(yùn)行從消費(fèi)品到軍事感知的價(jià)格和性能范圍。如今,性能最好的低噪音加速度計(jì)能夠應(yīng)用于精密傾斜傳感、地震成像以及機(jī)器人和平臺穩(wěn)定方面的許多新興應(yīng)用。高精度傾斜/角度傳感應(yīng)用的重要能力包括優(yōu)秀的噪聲、偏移、可重復(fù)性和溫度相關(guān)補(bǔ)償,以及振動(dòng)校正和交叉軸敏感性等二階效應(yīng)。

為了更好地理解設(shè)計(jì)中考慮到的三軸高精度MEMS加速度計(jì)的最佳性能,首先回顧該傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),這將澄清三軸對環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生不同響應(yīng)(例如平面外應(yīng)力)的原因。在許多情況下,這種平面外應(yīng)力是由傳感器z軸的溫度梯度引起的。

圖1所示的加速度計(jì)由彈簧質(zhì)量系統(tǒng)組成,類似于許多其他MEMS加速度計(jì)。質(zhì)量響應(yīng)外部加速度(重力等靜態(tài)加速度或速度變化等動(dòng)態(tài)加速度)移動(dòng),其物理位移由轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制感知。

圖1三軸高精度MEMS加速度計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu),特別是來自模擬設(shè)備的Adxl355。對于X/Y傳感器,隨著證明質(zhì)量的移動(dòng),錨定的手指和連接在證明質(zhì)量上的手指之間的電容發(fā)生變化。在z軸傳感器上的質(zhì)量不平衡允許對z軸加速度的非平面?zhèn)鞲小?

MEMS傳感器中最常見的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制是電容、壓阻、壓電或磁。像Adxl355這樣的加速度計(jì)利用電容轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制,即通過讀取電路將電容轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出,通過電容的變化來感知運(yùn)動(dòng)。雖然Adxl355利用電容式轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制對硅模具上的所有三軸傳感器進(jìn)行傳感,但X/Y傳感器和Z傳感器具有兩種根本不同的電容式傳感結(jié)構(gòu)。X/Y傳感器是基于平面內(nèi)的差速器,而Z傳感器是一種平面外平行板電容傳感器,如圖1所示。

如果傳感器上有壓縮或拉伸應(yīng)力,則MEMS模曲.由于證明質(zhì)量是懸浮在襯底與彈簧,它不會(huì)與襯底一起扭曲,因此,將會(huì)改變質(zhì)量與襯底之間的間隙。對于X/Y傳感器,間隙不是電容敏感性的方向,因?yàn)槠矫鎯?nèi)位移對手指電容變化的影響最大。這是由于條紋電場的補(bǔ)償作用.然而,對Z傳感器來說,基片和證明質(zhì)量之間的間隙確實(shí)是感覺間隙。因此,它直接影響Z傳感器,因?yàn)樗行У馗淖兞薢傳感器的傳感間隙。另一個(gè)加重效應(yīng)是Z傳感器位于模具的中央,最大化的變形,以適應(yīng)任何給定的壓力。

在大多數(shù)應(yīng)用中,由于Z軸的傳熱不對稱,除了物理應(yīng)力外,Z軸傳感器的溫度梯度也很普遍。在一個(gè)典型的應(yīng)用程序中,傳感器被焊接到印刷電路板(印刷電路板)和整個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)包內(nèi)。X和Y的傳熱主要是通過包件周長的焊料接頭和對稱的電路板的導(dǎo)電。但是,在Z方向,由于焊接和模具上方的對流,當(dāng)熱量在空氣中流動(dòng)和從包件中流出,熱傳遞是通過底部的傳導(dǎo)。由于這種不匹配,在z軸上會(huì)有殘余的溫差梯度。就像物理上的壓縮/拉伸應(yīng)力一樣,這也會(huì)在不是由加速度引起的z軸上產(chǎn)生偏移。

在本系列的下一篇文章中,我們回顧了如何獲得一個(gè)良好的初始數(shù)據(jù)集,以確定基線性能,并驗(yàn)證在隨后的數(shù)據(jù)分析中期望的噪聲級別。