管理應力和應變，在高精度傾斜/角度傳感中獲得最佳性能

作者：Paul Perrault and Mahdi Sadeghi

加速度計是奇妙的傳感器，能夠感應靜態和動態加速度，從重力方向到橋梁開始失效的細微運動。這些傳感器的范圍從手機級設備（當您傾斜顯示器時會改變顯示器的方向）到有助于導航軍用車輛或航天器的出口控制戰術級設備。1但是，與大多數傳感器一樣，傳感器在實驗室或臺式中表現良好是一回事。在面對狂野和不受控制的環境和溫度壓力時，在系統級別獲得這種性能是另一回事。當加速度計像人類一樣，在其一生中經歷前所未有的壓力時，系統可能會由于這些壓力的影響而做出反應并失敗。

高精度傾斜傳感系統通常經過校準，以實現優于 1° 的傾斜精度。利用市場領先的超低噪聲和高穩定性加速度計，如ADXL354或ADXL355，通過適當校準可觀察到的誤差源，可以實現0.005°的傾斜精度。2然而，只有適當減輕應力，才能達到這種精度水平。例如，傳感器上的壓縮/拉伸應力會導致高達20 mg的偏移，從而使傾斜誤差超過1°。

本文回顧了使用加速度計的高精度角度/傾斜傳感系統的性能指標。首先，在微觀層面了解傳感器設計本身，以便更好地理解微米級應力和應變的影響。如果不遵循整體機械和物理設計方法，它將顯示一些令人驚訝的結果。最后，它將以設計人員可以采取的切實步驟結束，以最大限度地提高最苛刻應用中的性能。

ADXL35x 傳感器設計

基于MEMS的加速度計可以在價格和性能方面涵蓋從消費類產品到軍事傳感的所有范圍。ADI公司產品組合中性能最佳的低噪聲加速度器是ADXL354和ADXL355，它們支持精密傾斜檢測、地震成像等應用，以及機器人和平臺穩定領域的許多新興應用。ADXL355具有市場領先的特性，使其在高精度傾斜/角度檢測應用中獨樹一幟，如出色的噪聲、失調、可重復性和溫度相關失調，以及振動校正和跨軸靈敏度等二階效應。作為高精度加速度計的示例，將詳細探討該特定傳感器;但是，本節討論的原理適用于絕大多數3軸MEMS加速度計。

為了更好地理解ADXL355實現最佳性能的設計考慮因素，首先回顧傳感器的內部結構是有益的，這將闡明三個軸對環境參數（例如，面外應力）產生不同響應的原因。在許多情況下，這種面外應力是由傳感器z軸上的溫度梯度引起的。

ADXL35x系列加速度計由彈簧質量系統組成，與許多其他MEMS加速度計類似。質量響應于外部加速度（如重力的靜態加速度或速度變化的動態加速度）而移動，其物理位移由轉導機制感知。MEMS傳感器中最常見的轉導機制是電容式、壓阻式、壓電式或磁性。ADXL355采用容性轉導機制，通過電容變化感測運動，電容變化通過讀出電路轉換為電壓或電流輸出。雖然ADXL355對硅芯片上的所有三個軸傳感器均采用電容式轉導機制，但X/Y傳感器和Z傳感器具有兩種根本不同的電容式檢測架構。X/Y 傳感器基于差分面內手指，而 Z 傳感器是面外平行板電容式傳感器，如圖 1 所示。

圖1.ADXL355的傳感器架構。對于 X/Y 傳感器，隨著證明質量的移動，錨定手指和連接到證明質量的手指之間的電容會發生變化。z 軸傳感器上的質量不平衡允許對 z 軸加速度進行面外感應。

如果傳感器上有壓縮應力或拉伸應力，MEMS模具就會翹曲。由于證明質量用彈簧懸浮在基板上，因此它不會與基板串聯翹曲，因此，質量與基板之間的間隙會發生變化。對于 X/Y 傳感器，間隙不在電容靈敏度方向上，因為面內位移對手指的電容變化影響最大。這是由于條紋電場的補償作用。然而，對于Z傳感器來說，基板和證明質量之間的間隙確實是傳感間隙。因此，它對Z傳感器有直接影響，因為它有效地改變了Z傳感器的傳感間隙。另一個加劇效應是Z傳感器位于模具的中心，對于模具上的任何給定應力，翹曲最大化。

除了物理應力外，由于大多數應用中z軸的傳熱不對稱性，z軸傳感器上的溫度梯度也很常見。在典型應用中，傳感器焊接到印刷電路板（PCB）上，整個系統都在一個封裝內。X 和 Y 傳熱主要是通過封裝周邊的焊點傳導到對稱的 PCB。然而，在z方向上，當熱量通過空氣并流出封裝時，由于芯片頂部的焊接和對流，熱量傳遞是通過底部的傳導進行的。由于這種不匹配，z軸上將存在殘余溫差梯度。與物理壓縮/拉伸應力一樣，這將在 z 軸上產生不是由加速度引起的偏移。

環境壓力下的數據審查

雖然ADXL354（模擬輸出）加速度計可以連接到任何模擬數據采集系統進行數據分析，但ADXL355評估板經過優化，可直接放置在客戶系統中，以便于與現有嵌入式系統進行原型設計。本文使用了小尺寸評估板EVAL-ADXL35x。為了進行數據記錄和分析，EVAL-ADXL35x連接到SDP-K1微控制器板，并使用Mbed環境進行編程。Mbed 是 ARM 微控制器板的開源免費開發環境。它有一個在線編譯器，可讓您快速入門。SDP-K1 板連接到 PC 時顯示為外部驅動器。要對電路板進行編程，只需將編譯器生成的二進制文件拖放到 SDP-K1 驅動器中即可。??3, 4

一旦Mbed系統通過UART記錄數據，我們現在有一個基本的測試環境，用于試用ADXL355實驗，并將輸出流式傳輸到簡單的終端進行數據記錄和進一步分析。需要注意的是，無論加速度計的輸出數據速率如何，Mbed代碼都只是在2 Hz處記錄寄存器。 在 Mbed 中，日志記錄速度可能比這更快，但這超出了本文的范圍。

一個好的起始數據集有助于建立基線性能，并驗證我們大多數后續數據分析中預期的噪聲水平。使用Panavise鉸接虎鉗臂5具有吸盤安裝座，可在工作臺設置中具有相當穩定的工作表面，因為它粘在玻璃工作表面上。在這種配置下，ADXL355板（從側面固定）與實驗室臺式一樣穩定。更高級的高級用戶可能會注意到，這種虎鉗支架可能會有一些傾倒運動的風險，但這是一種簡單且經濟有效的方法，允許根據重力改變方向。如圖2所示，將ADXL355電路板放置在支架中，捕獲一組60秒的數據用于首次分析。

圖2.使用EVAL-ADXL35x、SDP-K1和PanaVise卡口進行測試設置。

圖3.不帶低通濾波器的ADXL355數據（寄存器0x28=0x00），耗時超過1分鐘。

取120個數據點并測量標準偏差顯示噪聲在800 μg至1.1 mg范圍內。根據數據手冊中的ADXL355典型性能規格，我們看到噪聲密度為25 μg/√Hz。使用默認的低通濾波器（LPF）設置時，加速度計的帶寬約為1000 Hz。 假設使用磚墻濾波器，噪聲預計為25 μ g/√Hz× √1000 Hz = 791 μg rms。第一個數據集通過了第一個嗅探測試。準確地說，從噪聲頻譜密度到均方根噪聲的轉換應該有一個因子來表示數字LPF沒有無限滾降（即磚墻濾波器）的事實。有些器件使用1.6×系數實現簡單的RC單極點20 dB/十倍頻程滾降，但ADXL355數字低通濾波器不是單極點RC濾波器。無論如何，假設系數在1到1.6之間至少可以讓我們進入噪聲期望的正確近似值。

對于許多精密傳感應用，1000 Hz 的帶寬對于被測信號來說太寬了。為了幫助優化帶寬和噪聲之間的權衡空間，ADXL355內置數字低通濾波器。對于下一個測試，我們將LPF設置為4 Hz，這應該使噪聲凈降低√1000 / √4倍≈16。這在 Mbed 環境中使用圖 4 所示的簡單結構簡單完成，而數據如圖 5 所示。6濾波后，噪聲明顯如預期下降。如表 1 所示。

圖4.用于配置寄存器的 Mbed 代碼。

圖5.LPF設置為4 Hz（寄存器0x28=0x08）的ADXL355數據，耗時超過1分鐘。

表1顯示，采用當前設置的y軸噪聲高于理論預期。在調查了可能的原因后，我們注意到額外的筆記本電腦和其他實驗室設備風扇振動可能在 y 軸上表現為噪音。為了測試這一點，旋轉虎鉗以將x軸放置在y軸用于此測試的位置，并且較高的噪聲軸確實移動到x軸。因此，軸之間的噪聲差異似乎是儀器噪聲，而不是加速度計軸上噪聲水平的內在差異。這種類型的測試實際上是低噪聲加速度計的“Hello World”測試，因此它為進一步測試提供了信心。

為了了解熱沖擊對ADXL355的影響有多大，我們使用了熱風槍。7并將其置于較冷的空氣模式（實際上比室溫高幾度），以便對加速度計施加熱應力。溫度也使用ADXL355的板載溫度傳感器記錄。該實驗使用虎鉗垂直放置ADXL355，以便氣槍可以在封裝頂部吹氣。該實驗的預期結果是，隨著芯片升溫，偏移的溫度系數會出現，但任何熱應力差分幾乎都會立即出現。換句話說，如果各個傳感軸對差熱應力敏感，則預計加速度計輸出會出現凸起。在數據安靜時從數據中刪除平均值，可以同時輕松比較所有三個軸。結果如圖 6 所示。

圖6.ADXL355在冷設置下使用熱風槍的熱沖擊數據。

如圖6所示，氣槍將稍熱的空氣吹到陶瓷封裝上，陶瓷封裝對環境密封。這導致 z 軸偏移 ~1500 μ g，y 軸偏移量小得多（可能為 ~100 μg），并且 x 軸幾乎沒有偏移。雖然許多最終客戶產品在PCB頂部有一些分布差熱應力的外殼，但重要的是要考慮這些類型的快速瞬態應力，這些應力可能表現為失調誤差，如這個簡單的測試所示。

圖7顯示了熱風槍關閉時的相反極性效應。

圖7.ADXL355熱沖擊，氣槍在t = 240秒時關閉。

當氣槍在加熱環境中使用時，這種效果更加明顯;也就是說，當溫度沖擊幅度較大時。Weller氣槍的輸出大約在~400°C左右，因此遠距離使用以防止過熱或熱沖擊造成的損壞非常重要。在該測試中，熱空氣在距離ADXL355約15 cm處吹出，導致~40°C的幾乎瞬時溫度沖擊，如圖8所示。

圖8.帶熱風槍的ADXL355熱沖擊。

盡管熱沖擊量相當大，但在這個實驗中，z軸的響應速度比x軸和y軸快得多，這仍然令人驚訝。使用數據手冊中的偏移溫度系數，當溫度偏移40°C時，預計在40 °C = 4 m g偏移×觀察到約100 μg/°C，x軸和y軸最終開始顯示。然而，注意到z軸上幾乎瞬間的10 mg偏移表明，這是一種正在處理的不同效應，而不是由于溫度引起的偏移。這是傳感器上的熱應力/應變差分的結果，在z軸上最明顯，因為該傳感器對微分應力比x和y更敏感，如本文前面所述。

ADXL355的典型失調溫度系數（失調溫度系數）在數據手冊中規定為±100 μg/°C。了解此處使用的測試方法很重要，因為偏移溫度系數是用烤箱中的加速度計測量的。烘箱在傳感器的溫度范圍內緩慢斜坡，并測量偏移的斜率。一個典型的示例如圖 9 所示。

圖9.ADXL355基于烘箱的溫度表征。

在這個情節中有兩個效果在起作用。一個是數據手冊中表征和記錄的偏移溫度系數。這可以解釋為從 –45°C 到 +120°C 的許多部件的平均值，因為烤箱以 5°C/min 的速度升溫，但沒有任何浸泡時間。這將從類似于圖9的曲線得出，在165°C或約109 μg/°C時，其范圍略高于100 μg/°C的典型值，但在數據手冊中規定的最小和最大范圍內。但是，請考慮圖9的右側，因為器件繼續在120°C下浸泡約15分鐘。當器件處于高溫時，實際偏移量下降并改善。在這種情況下，平均值在165°C或約60 μg/°C偏移溫度系數下接近10 mg。第二個影響是差熱應力，因為傳感器證明質量在整個硅器件的溫度上穩定下來，然后應力降低。這是在圖6至圖8所示的氣槍測試中看到的效應，重要的是要了解這種效應在比數據手冊中列出的長期失調溫度系數更快的時間尺度上工作。這對于許多系統來說可能是有價值的，由于其整體熱動力學，它們的升溫速度可能比5°C/min慢得多。

影響ADXL355穩定性的其他因素

一旦很好地理解了設計中的熱應力，慣性傳感器的另一個重要方面是其長期穩定性或可重復性。重復性定義為在相同條件下長時間連續測量的精度。例如，在很長一段時間內，在相同溫度下對重力場進行兩次測量，看看它們的匹配程度。在無法適應定期維護校準的應用中評估傳感器的長期穩定性時，偏移和靈敏度的可重復性至關重要。許多傳感器制造商沒有在其數據手冊中描述或指定長期穩定性。在ADI公司的ADXL355數據手冊中，預測的重復性為10年，包括高溫工作壽命測試（HTOL）（T一個= 150°C， V供應= 3.6 V和1000小時），測量的溫度循環（?55°C至+125°C和1000個周期），速度隨機游走，寬帶噪聲和溫度滯后。ADXL35x系列具有出色的重復性，如數據手冊所示，ADXL355對于X/Y和Z傳感器的重復性分別為±2 mg和±3 mg。

在穩定的機械、環境和慣性條件下的可重復性遵循與測量時間相關的平方根定律。例如，要獲得 x 軸 2.5 年的偏移重復性（最終產品的任務曲線可能更短），請使用以下公式：±2 m g × √（2.5 年/10 年）= ±1 mg。圖 10 顯示了 23 天內 32 個器件的 0 g 失調漂移的 HTOL 測試結果示例。在此圖中可以清楚地觀察到平方根定律。還應該強調的是，由于MEMS傳感器制造過程中的工藝差異，每個部件的行為都不同，有些部件的性能比其他部件更好。

圖 10.ADXL355 的 500 小時長期穩定性。

機械系統設計建議

根據前面討論的知識，很明顯，機械安裝接口和外殼設計將有助于ADXL355傳感器的整體性能，因為它會影響傳播到傳感器的物理應力。通常，機械安裝，外殼和傳感器形成二階（或更高）系統;因此，其響應在共振或過阻尼之間變化。機械支持系統具有代表這些二階系統的模式（由共振頻率和品質因數定義）。在大多數情況下，目標是了解這些因素并盡量減少它們對傳感系統的影響。因此，應選擇傳感器封裝的任何外殼的幾何形狀以及所有接口和材料，以避免ADXL355應用帶寬內的機械衰減（由于過阻尼）或放大（由于諧振）。此類設計注意事項的詳細信息超出了本文的范圍;但是，簡要列出了一些實用項目：

PCB、安裝和外殼

將 PCB 牢固地連接到剛體基板上。使用多個安裝螺釘與PCB背面的粘合劑相結合可提供最佳支撐。

將傳感器靠近安裝螺釘或緊固件放置。如果PCB幾何形狀很大（幾英寸），請在電路板中間使用多個安裝螺釘，以避免PCB的低頻振動，這些振動會耦合到加速度計并進行測量。

如果 PCB 僅由凹槽/舌形結構機械支撐，請使用較厚的 PCB（建議厚度大于 2 毫米）。對于幾何形狀較大的PCB， 增加厚度以保持系統的剛度.使用有限元分析（如ANSYS或類似技術）為特定設計提供最佳的PCB幾何形狀和厚度。

對于結構健康監測等長時間測量傳感器的應用，傳感器的長期穩定性至關重要。應選擇封裝、PCB和粘合劑材料，以盡量減少機械性能隨時間推移的退化或變化，這可能會導致傳感器上的額外應力，從而造成偏移。

避免對外殼的固有頻率做出假設。在簡單外殼的情況下計算固有振動模式，在更復雜的外殼設計的情況下計算有限元分析將是有用的。

事實證明，將ADXL355焊接到電路板上會產生應力積聚，會導致高達幾毫克的偏移。為了減輕這種影響，建議在PCB上通過銅走線的PCB著陸圖案、導熱焊盤和傳導路徑對稱。請嚴格遵循ADXL355數據手冊中提供的焊接指南。還觀察到，在某些情況下，在任何校準之前進行焊接退火或熱循環有助于緩解應力積聚并管理長期穩定性問題。

灌封化合物

灌封化合物廣泛用于固定外殼內的電子設備。如果傳感器封裝是包覆成型塑料，例如焊盤柵格陣列（LGA），則強烈建議不要使用灌封化合物，因為它們的溫度系數（TC）與外殼材料不匹配，導致壓力直接施加在傳感器上，然后偏移。然而，ADXL355采用密封陶瓷封裝，可顯著保護傳感器免受TC效應的影響。但是，由于材料隨著時間的推移而退化，灌封化合物仍然會導致PCB上的應力積聚，從而可能通過硅芯片的小翹曲對傳感器造成應變。通常建議避免在需要高穩定性的應用中灌封傳感器。低應力保形涂層（如聚對二甲苯C）可以提供某種形式的防潮層作為灌封的替代品。8

氣流、傳熱和熱平衡

為了實現最佳的傳感器性能，在優化溫度穩定性的環境中設計、定位和利用傳感系統非常重要。如本文所示，由于傳感器芯片上的熱應力差，即使是很小的溫度變化也會顯示出意想不到的結果。以下是一些提示：

傳感器應放置在PCB上，以使傳感器上的熱梯度最小。例如，線性穩壓器可以產生大量熱量;因此，它們靠近傳感器會導致MEMS兩端的溫度梯度，該梯度可能隨穩壓器中的電流輸出而變化。

如果可能，傳感器模塊應部署在遠離氣流的區域（例如HVAC），以避免頻繁的溫度波動。如果不可能，封裝外部或內部的熱隔離是有幫助的，可以通過隔熱來實現。請注意，需要考慮傳導和對流熱路徑。

建議選擇外殼的熱質量，以便在環境熱變化不可避免的應用中抑制環境熱波動。

結論

本文介紹了高精度ADXL355加速度計如何在不充分考慮環境和機械效應的情況下降低性能。通過整體設計實踐和對系統級別的關注，挑剔的工程師可以為他們的傳感器系統實現出色的性能。由于我們中的許多人在生活中都經歷了前所未有的壓力，因此認識到，與加速度計類似，殺死我們的從來都不是壓力，而是我們對壓力的反應！

審核編輯：郭婷