Otimizando a detecção de inclinação / ângulo de alta precisão:Melhorando o desempenho

Na primeira parte desta série, revisamos a estrutura interna de um acelerômetro MEMS de 3 eixos de alta precisão. Na parte dois, revisamos como adquirir um bom conjunto de dados inicial para estabelecer o desempenho da linha de base e validar que tipo de níveis de ruído esperar nas análises de dados subsequentes. Nesta edição final de nossa série, exploramos outros fatores que afetam a estabilidade e, a seguir, oferecemos recomendações de projeto de sistema mecânico para melhorar o desempenho geral de um acelerômetro MEMS de 3 eixos de alta precisão.

Uma vez que as tensões térmicas no projeto são bem compreendidas, outro aspecto importante dos sensores inerciais é sua estabilidade a longo prazo ou repetibilidade. Repetibilidade é definida como a precisão de medições sucessivas sob a mesma condição por um longo período de tempo. Por exemplo, fazer duas medições de um campo de gravidade na mesma orientação em relação à gravidade na mesma temperatura por um período prolongado e ver o quão bem eles combinam. Repetibilidade para deslocamento e sensibilidade são de suma importância ao avaliar a estabilidade de longo prazo de um sensor em aplicações que são incapazes de acomodar a calibração de manutenção regular. Muitos fabricantes de sensores não caracterizam ou especificam a estabilidade de longo prazo em suas folhas de dados. Na folha de dados ADXL355 da ADI, por exemplo, a repetibilidade é prevista para uma vida de 10 anos e inclui mudanças medidas devido ao teste de vida operacional de alta temperatura (HTOL) (TA =150 ° C, VSUPPLY =3,6 V e 1000 horas), medido ciclagem de temperatura (−55 ° C a + 125 ° C e 1000 ciclos), caminhada aleatória de velocidade, ruído de banda larga e histerese de temperatura. A repetibilidade, conforme mostrado na folha de dados, é de ± 2 m g e ± 3 m g para sensores X / Y e Z, respectivamente. Essas medições são importantes para avaliar o desempenho de longo prazo.

A repetibilidade em condições estáveis ​​mecânicas, ambientais e inerciais segue a lei da raiz quadrada no que se refere ao tempo medido. Por exemplo, para obter repetibilidade de deslocamento do eixo x por 2,5 anos (possivelmente um perfil de missão mais curto para um produto final), use a seguinte equação:± 2 m g × √ (2,5 anos / 10 anos) =± 1 m g . A Figura 1 mostra um exemplo de resultado de teste HTOL de 0 g deslocamento de deslocamento de 32 dispositivos em 23 dias. A lei da raiz quadrada é claramente observável nesta figura. Também deve ser destacado que cada parte se comporta de maneira diferente - algumas têm melhor desempenho do que outras - devido à variação do processo na fabricação dos sensores MEMS.

Figura 1. Estabilidade de longo prazo de 500 horas do ADXL355. (Fonte:Dispositivos analógicos)

Recomendações de projeto de sistema mecânico

Armado com o conhecimento da discussão anterior, fica claro que as interfaces de montagem mecânica e o design do gabinete contribuirão para o desempenho geral de um sensor acelerômetro MEMS de 3 eixos de alta precisão, pois afetarão as tensões físicas propagadas para o sensor. Em geral, a montagem mecânica, o gabinete e o sensor formam um sistema de segunda ordem (ou superior); portanto, sua resposta varia entre ressonância ou superamortecimento.

Os sistemas de suporte mecânico têm modos que representam esses sistemas de segunda ordem (definidos pela frequência ressonante e fator de qualidade). Na maioria dos casos, o objetivo é compreender esses fatores e minimizar seus impactos no sistema de detecção. Assim, a geometria de qualquer invólucro em que o sensor será embalado, e todas as interfaces e materiais, devem ser escolhidos para evitar atenuação mecânica (devido ao superamortecimento) ou amplificação (devido à ressonância) dentro da largura de banda da aplicação do acelerômetro. Os detalhes de tais considerações de design estão fora do escopo deste artigo; no entanto, alguns itens práticos são listados resumidamente:

PCB, montagem e gabinete

• Fixe com segurança o PCB a um substrato de corpo rígido. O uso de vários parafusos de montagem em combinação com adesivo na parte traseira do PCB oferece o melhor suporte.
• Coloque o sensor próximo a um parafuso de montagem ou fixador. Se a geometria do PCB for grande (algumas polegadas), use vários parafusos de montagem no meio da placa para evitar vibração de baixa frequência do PCB, que se acopla ao acelerômetro e é medida.
• Se os PCBs forem suportados apenas mecanicamente por uma estrutura de ranhura / lingueta, use um PCB mais espesso (recomenda-se mais de 2 mm de espessura). No caso de PCBs com geometria maior, aumente a espessura para manter a rigidez do sistema. Use a análise de elementos finitos, como ANSYS ou semelhante, para obter a geometria e espessura de PCB ideais para um projeto específico.
• Para aplicações como monitoramento de integridade estrutural, onde os sensores são medidos por um longo período de tempo, a estabilidade de longo prazo dos sensores é crítica. Embalagens, PCB e materiais adesivos devem ser escolhidos para minimizar a degradação ou alteração nas propriedades mecânicas ao longo do tempo, o que pode contribuir para tensões adicionais no sensor e, portanto, compensações.
• Evite fazer suposições sobre as frequências naturais do gabinete. O cálculo dos modos de vibração natural no caso de gabinetes simples e a análise de elementos finitos no caso de projetos de gabinetes mais complexos serão úteis.
• O acúmulo de estresse causado pela soldagem do acelerômetro a uma placa pode causar deslocamento de deslocamento de até alguns mg. Para aliviar esse efeito, a simetria no padrão de aterrissagem do PCB, almofadas térmicas e caminhos de condução através de traços de cobre no PCB são recomendados. Siga atentamente o guia de solda fornecido na folha de dados do acelerômetro. Também é observado que, em alguns casos, o recozimento da solda ou o ciclo térmico antes de qualquer calibração são úteis para aliviar o acúmulo de tensão e para gerenciar problemas de estabilidade de longo prazo.

Compostos de envasamento

Os compostos de encapsulamento são amplamente usados ​​para proteger eletrônicos dentro de um gabinete. Se o pacote do sensor for um plástico sobremoldado, como land grid array (LGA), o uso de compostos de encapsulamento é altamente desencorajado devido à incompatibilidade do coeficiente de temperatura (TC) com o material do invólucro, resultando na pressão exercida diretamente no sensor e, em seguida, compensada . Um acelerômetro MEMS de 3 eixos de alta precisão que vem em um pacote de cerâmica hermeticamente selado protege significativamente o sensor do efeito TC. Mas os compostos de envasamento ainda podem contribuir para o acúmulo de tensão no PCB como resultado da degradação do material ao longo do tempo, podendo causar tensão no sensor por meio de pequenas empenamentos no molde de silício. Geralmente, é recomendado evitar o encapsulamento dos sensores em aplicações nas quais é necessária alta estabilidade ao longo do tempo. Os revestimentos isolantes de baixa tensão, como o parileno C, podem fornecer alguma forma de barreira à umidade como um substituto para o encapsulamento. ⁸

Fluxo de ar, transferência de calor e equilíbrio térmico

Para obter o melhor desempenho do sensor, é importante projetar, localizar e utilizar o sistema de detecção em um ambiente onde a estabilidade da temperatura seja otimizada. Como mostra este artigo, mesmo pequenas mudanças na temperatura podem mostrar resultados inesperados devido a tensões térmicas diferenciais na matriz do sensor. Aqui estão algumas dicas:

• O sensor deve ser posicionado no PCB de forma que gradientes térmicos em todo o sensor sejam mínimos. Por exemplo, reguladores lineares podem gerar quantidades significativas de calor; portanto, sua proximidade com o sensor pode causar gradientes de temperatura através do MEMS que podem variar com as saídas de corrente ao longo do tempo no regulador.
• Se possível, o módulo sensor deve ser implantado em áreas longe de fluxos de ar (por exemplo, HVAC) para evitar oscilações freqüentes de temperatura. Se não for possível, o isolamento térmico fora ou dentro da embalagem é útil e pode ser obtido com o isolamento térmico. Observe que os caminhos térmicos de condução e convecção precisam ser considerados.
• Recomenda-se escolher a massa térmica do invólucro de forma que amortece as flutuações térmicas ambientais em aplicações onde as mudanças térmicas ambientais são inevitáveis.

Conclusão

Este artigo mostrou como o desempenho de um acelerômetro MEMS de alta precisão pode ser degradado sem a consideração adequada dos efeitos ambientais e mecânicos. Por meio de práticas de design holístico e foco em um nível de sistema, engenheiros exigentes podem alcançar um desempenho excelente para seu sistema de sensor. Como muitos de nós estamos passando por estresses sem precedentes em nossas vidas, é útil perceber que, assim como os acelerômetros, nunca é o estresse que nos mata - é nossa reação a ele!

Referências

• Chris Murphy. “Escolhendo o acelerômetro MEMs mais adequado para sua aplicação - Parte 1.” Analog Dialogue, vol. 51, No. 4, outubro de 2017.
• Chris Murphy. “Medição de inclinação do acelerômetro acima da temperatura e na presença de vibração”. Diálogo analógico, agosto de 2017.
• Sistema de avaliação SDP-K1. Analog Devices, Inc.
• Mbed:Guia do usuário para SDP-K1. Analog Devices, Inc.
• Suporte de braço articulado PanaVise. PanaVise.
• Código Mbed. Analog Devices, Inc.
• Pistola de ar de aquecimento / resfriamento Weller 6966C. Weller.
• Parileno. Wikipedia.