加速度計是非常棒的傳感器,它能感應到靜態(tài)和動態(tài)的加速度,這種加速度隨重力方向的不同而變化,以適應橋梁開始失效的微妙運動。這些傳感器的范圍從手機級設備,改變你的顯示時,當你傾斜他們的方向,出口控制,戰(zhàn)術級設備,幫助導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,在實驗室或工作臺上表現(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。當加速計像人類一樣在其生命周期中經(jīng)歷前所未有的壓力時,系統(tǒng)可能會因為這些壓力的影響而發(fā)生反應和失效。

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

本文綜述了用加速度計測量高精度角/傾斜傳感系統(tǒng)的性能指標。我們將在本文中首先了解傳感器的微觀設計,以便更好地理解到微米級的壓力和應變的影響。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械和物理設計方法,這些結(jié)果可能會發(fā)生。最后,我們將結(jié)束這個系列,設計師可以采取具體步驟,在最高要求的應用程序中最大限度地提高性能。

傳感器設計的基本原理

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

為了更好地理解設計中考慮到的三軸高精度MEMS加速度計的最佳性能,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(例如平面外應力)的原因。在許多情況下,這種平面外應力是由傳感器z軸的溫度梯度引起的。

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

圖1三軸高精度MEMS加速度計的傳感器結(jié)構(gòu),特別是來自模擬設備的Adxl355。對于X/Y傳感器,隨著證明質(zhì)量的移動,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)導機制是電容、壓阻、壓電或磁。像Adxl355這樣的加速度計利用電容轉(zhuǎn)導機制,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動。雖然Adxl355利用電容式轉(zhuǎn)導機制對硅模具上的所有三軸傳感器進行傳感,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力,則MEMS模曲.由于證明質(zhì)量是懸浮在襯底與彈簧,它不會與襯底一起扭曲,因此,將會改變質(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,因為平面內(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)量之間的間隙確實是感覺間隙。因此,它直接影響Z傳感器,因為它有效地改變了Z傳感器的傳感間隙。另一個加重效應是Z傳感器位于模具的中央,最大化的變形,以適應任何給定的壓力。

在大多數(shù)應用中,由于Z軸的傳熱不對稱,除了物理應力外,Z軸傳感器的溫度梯度也很普遍。在一個典型的應用程序中,傳感器被焊接到印刷電路板(印刷電路板)和整個系統(tǒng)在一個包內(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電。但是,在Z方向,由于焊接和模具上方的對流,當熱量在空氣中流動和從包件中流出,熱傳遞是通過底部的傳導。由于這種不匹配,在z軸上會有殘余的溫差梯度。就像物理上的壓縮/拉伸應力一樣,這也會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良好的初始數(shù)據(jù)集,以確定基線性能,并驗證在隨后的數(shù)據(jù)分析中期望的噪聲級別。