고정밀 기울기/각도 감지 최적화:가속도계 기본 사항

가속도계는 실패하기 시작하는 교량의 미묘한 움직임에 대한 중력 방향과 같이 다양한 정적 및 동적 가속도를 감지할 수 있는 놀라운 센서입니다. 이러한 센서는 디스플레이를 기울일 때 디스플레이의 방향을 변경하는 휴대폰 등급 장치에서 군용 차량 또는 우주선을 탐색하는 데 도움이 되는 수출 제어 전술 등급 장치에 이르기까지 다양합니다.[1] 그러나 대부분의 센서와 마찬가지로 센서가 실험실이나 벤치탑에서 잘 작동하는 것은 한 가지입니다. 거칠고 통제할 수 없는 환경 및 온도 스트레스에 직면하여 시스템 수준에서 그 성능을 얻는 것은 또 다른 문제입니다. 가속도계는 인간과 마찬가지로 일생 동안 전례 없는 스트레스를 받으면 이러한 스트레스의 영향으로 시스템이 반응하고 고장날 수 있습니다.

고정밀 기울기 감지 시스템은 일반적으로 1° 이상의 기울기 정확도를 달성하도록 보정됩니다. ADXL354 또는 ADXL355와 같이 시장을 선도하는 초저잡음 및 매우 안정적인 가속도계를 사용하면 관찰 가능한 오류 소스를 적절하게 보정하여 0.005°의 기울기 정확도를 달성할 수 있습니다.[2] 그러나 이러한 수준의 정확도는 응력이 적절히 완화되는 경우에만 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 센서의 압축/인장 응력으로 인해 최대 20mg의 오프셋이 발생할 수 있으므로 1° 이상의 부정확성을 기울일 수 있습니다.

이 기사 시리즈는 가속도계를 사용하는 고정밀 각도/기울기 감지 시스템의 성능 메트릭을 검토합니다. 이 기사에서는 미크론 수준까지의 응력과 변형의 영향을 더 잘 이해하기 위해 미시적 수준에서 센서 설계 자체를 이해하는 것으로 시작할 것입니다. 그런 다음 별도의 기사에서 전체론적 기계적 및 물리적 설계 접근 방식을 따르지 않을 경우 발생할 수 있는 몇 가지 놀라운 결과를 다룰 것입니다. 마지막으로 가장 까다로운 애플리케이션에서 성능을 최대화하기 위해 디자이너가 취할 수 있는 실질적인 단계로 이 시리즈를 마무리하겠습니다.

센서 설계의 기초

MEMS 기반 가속도계는 소비자 제품에서 군용 감지에 이르기까지 가격과 성능의 모든 영역을 실행할 수 있습니다. 오늘날 최고의 성능을 발휘하는 저잡음 가속도계는 정밀 기울기 감지, 지진 영상과 같은 응용 분야와 로봇 공학 및 플랫폼 안정화 분야의 새로운 응용 분야를 가능하게 합니다. 고정밀 기울기/각도 감지 애플리케이션을 위한 중요한 기능에는 탁월한 노이즈, 오프셋, 반복성 및 온도 관련 오프셋은 물론 진동 정류 및 교차 축 감도와 같은 2차 효과가 포함됩니다.

최적의 성능을 발휘하는 3축 고정밀 MEMS 가속도계의 설계 고려 사항을 더 잘 이해하려면 먼저 이러한 센서의 내부 구조를 검토하는 것이 좋습니다. , 면외 응력). 많은 경우 이러한 평면 외 응력은 센서의 z축에 걸친 온도 구배에 의해 발생합니다.

그림 1에 표시된 가속도계는 다른 많은 MEMS 가속도계와 유사한 스프링 질량 시스템으로 구성됩니다. 질량은 외부 가속도(중력과 같은 정적 가속도 또는 속도 변화와 같은 동적 가속도)에 따라 움직이며 물리적 변위는 변환 메커니즘에 의해 감지됩니다.

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그림 1. 3축 고정밀 MEMS 가속도계, 특히 Analog Devices의 ADXL355의 센서 아키텍처. X/Y 센서의 경우 프루프 매스가 이동함에 따라 고정된 핑거와 프루프 매스에 부착된 핑거 사이의 커패시턴스가 변경됩니다. z축 센서의 질량 불균형은 z축 가속도의 평면외 감지를 허용합니다. (출처:Analog Devices)

MEMS 센서에서 가장 일반적인 변환 메커니즘은 용량성, 압전 저항, 압전 또는 자기입니다. ADXL355와 같은 가속도계는 판독 회로를 통해 전압 또는 전류 출력으로 변환되는 정전용량의 변화에 ​​의해 움직임이 감지된다는 점에서 정전용량 변환 메커니즘을 사용합니다. ADXL355는 실리콘 다이의 세 축 센서 모두에 대해 정전용량 변환 메커니즘을 사용하지만 X/Y 센서와 Z 센서는 근본적으로 다른 두 가지 정전용량 감지 아키텍처를 가지고 있습니다. X/Y 센서는 차동 면내 핑거를 기반으로 하는 반면 Z 센서는 그림 1과 같이 면외 평행판 용량성 센서입니다.

센서에 압축 또는 인장 응력이 있으면 MEMS 다이가 휘게 됩니다. 프루프 매스는 스프링이 있는 기판 위에 매달려 있기 때문에 기판과 함께 휘지 않으며, 따라서 매스와 기판 사이의 간격에 변화가 있을 것입니다. X/Y 센서의 경우 평면 내 변위가 핑거의 정전용량 변화에 가장 큰 영향을 미치기 때문에 간격이 정전용량 감도 방향이 아닙니다. 이것은 주변 전기장의 보상 효과 때문입니다. 그러나 Z 센서의 경우 기판과 프루프 매스 사이의 간격이 실제로 감지 간격입니다. 따라서 Z센서의 센싱갭을 효과적으로 변화시키기 때문에 Z센서에 직접적인 영향을 미친다. 또 다른 악화 효과는 Z 센서가 다이 중앙에 위치하여 다이에 가해지는 응력에 대해 휨이 최대화된다는 것입니다.

물리적 스트레스 외에도 z축 센서의 온도 구배는 대부분의 응용 분야에서 z축의 열 전달 비대칭으로 인해 일반적입니다. 일반적인 애플리케이션에서 센서는 인쇄 회로 기판(PCB)에 납땜되고 전체 시스템은 패키지 내에 있습니다. X 및 Y 열 전달은 패키지 주변의 솔더 조인트를 통한 전도와 대칭인 PCB로의 전도에 의해 지배됩니다. 그러나 z 방향에서는 열이 공기를 통해 패키지 밖으로 이동할 때 다이 상단의 대류 및 솔더로 인한 하단의 전도를 통해 열 전달이 이루어집니다. 이 불일치로 인해 z축에 걸쳐 잔류 차동 온도 구배가 발생합니다. 물리적 압축/인장 응력과 마찬가지로 이는 가속에 의해 유발되지 않는 z축 오프셋을 생성합니다.

이 시리즈의 다음 기사에서는 기본 성능을 설정하고 후속 데이터 분석에서 예상되는 노이즈 수준을 검증하기 위해 좋은 시작 데이터 세트를 얻는 방법을 검토합니다.

참조

^[1] 크리스 머피. "응용 분야에 가장 적합한 MEM 가속도계 선택 - 1부." 아날로그 대화, Vol. 51, 4번, 2017년 10월.

^[2] 크리스 머피. "온도와 진동이 있는 상태에서 가속도계 기울기 측정." 아날로그 대화, 2017년 8월.