고정밀 기울기/각도 감지 최적화:성능 향상

이 시리즈의 1부에서는 3축 고정밀 MEMS 가속도계의 내부 구조를 검토했습니다. 2부에서는 기본 성능을 설정하고 후속 데이터 분석에서 예상되는 노이즈 수준을 검증하기 위해 좋은 시작 데이터 세트를 얻는 방법을 검토했습니다. 이 시리즈의 마지막 기사에서는 안정성에 영향을 미치는 다른 요소를 살펴본 다음 3축 고정밀 MEMS 가속도계의 전체 성능을 개선하기 위한 기계 시스템 설계 권장 사항을 제공합니다.

설계의 열 응력을 잘 이해하면 관성 센서의 또 다른 중요한 측면은 장기적인 안정성 또는 반복성입니다. 반복성은 동일한 조건에서 장기간에 걸쳐 연속적인 측정의 정확도로 정의됩니다. 예를 들어, 장기간에 걸쳐 동일한 온도에서 중력에 대해 동일한 방향으로 중력장을 두 번 측정하고 이들이 얼마나 잘 일치하는지 확인합니다. 오프셋 및 감도의 반복성은 정기적인 유지 보수 교정을 수용할 수 없는 애플리케이션에서 센서의 장기 안정성을 평가할 때 가장 중요합니다. 많은 센서 제조업체는 데이터 시트에서 장기 안정성을 특성화하거나 지정하지 않습니다. 예를 들어 ADI의 ADXL355 데이터 시트에서 반복성은 10년 수명에 대해 예측되며 HTOL(고온 작동 수명 테스트)(TA =150°C, VSUPPLY =3.6V 및 1000시간)으로 인해 측정된 이동을 포함합니다. 온도 사이클링(-55°C ~ +125°C 및 1000 사이클), 속도 랜덤 워크, 광대역 노이즈 및 온도 히스테리시스. 데이터 시트에 표시된 반복성은 ±2mg입니다. 및 ±3mg 각각 X/Y 및 Z 센서용입니다. 이러한 측정은 장기적인 성과를 평가하는 데 중요합니다.

안정적인 기계적, 환경적 및 관성 조건에서의 반복성은 측정된 시간과 관련된 제곱근 법칙을 따릅니다. 예를 들어, 2.5년 동안 x축의 오프셋 반복성을 얻으려면(최종 제품의 경우 더 짧은 임무 프로파일) 다음 방정식을 사용하십시오. ±2 mg × √(2.5년/10년) =±1mg . 그림 1은 0 g의 HTOL 테스트 결과의 예를 보여줍니다. 23일 동안 32개 장치의 오프셋 드리프트. 제곱근 법칙은 이 그림에서 명확하게 관찰할 수 있습니다. 또한 MEMS 센서 제조의 공정 변화로 인해 각 부품이 다르게 작동한다는 점(일부는 다른 것보다 더 나은 성능을 보임)을 강조해야 합니다.

그림 1. ADXL355의 500시간 장기 안정성. (출처:Analog Devices)

기계 시스템 설계 권장 사항

이전 논의에서 얻은 지식으로 무장한 기계적 마운팅 인터페이스와 인클로저 디자인은 센서에 전파되는 물리적 스트레스에 영향을 미치기 때문에 3축 고정밀 MEMS 가속도계 센서의 전반적인 성능에 기여할 것이 분명합니다. 일반적으로 기계적 마운팅, 인클로저 및 센서는 2차(또는 그 이상) 시스템을 형성합니다. 따라서 그 응답은 공진 또는 과감쇠 사이에서 다양합니다.

기계적 지원 시스템에는 이러한 2차 시스템을 나타내는 모드가 있습니다(공진 주파수 및 품질 계수로 정의됨). 대부분의 경우 목표는 이러한 요인을 이해하고 감지 시스템에 미치는 영향을 최소화하는 것입니다. 따라서 센서가 패키징될 인클로저의 형상과 모든 인터페이스 및 재료는 가속도계 애플리케이션의 대역폭 내에서 기계적 감쇠(오버댐핑으로 인한) 또는 증폭(공진으로 인한)을 방지하도록 선택해야 합니다. 이러한 설계 고려 사항의 세부 사항은 이 기사의 범위를 벗어납니다. 그러나 몇 가지 실용적인 항목이 간략하게 나열되어 있습니다.

PCB, 마운팅 및 인클로저

• PCB를 강체 기판에 단단히 부착합니다. PCB 뒷면의 접착제와 함께 여러 개의 장착 나사를 사용하면 최상의 지지력을 얻을 수 있습니다.
• 센서를 장착 나사 또는 패스너에 가까이 두십시오. PCB 형상이 큰 경우(몇 인치) 보드 중앙에 여러 개의 장착 나사를 사용하여 가속도계에 결합되어 측정되는 PCB의 저주파 진동을 방지합니다.
• PCB가 그루브/텅 구조에 의해 기계적으로만 지지되는 경우 더 두꺼운 PCB를 사용합니다(두께 2mm 이상 권장). 형상이 더 큰 PCB의 경우 시스템의 강성을 유지하기 위해 두께를 늘립니다. 특정 설계에 대한 최적의 PCB 형상 및 두께를 위해 ANSYS 또는 이와 유사한 유한 요소 분석을 사용합니다.
• 센서가 장기간에 걸쳐 측정되는 구조적 상태 모니터링과 같은 애플리케이션의 경우 센서의 장기적인 안정성이 매우 중요합니다. 포장, PCB 및 접착 재료는 시간 경과에 따른 기계적 특성의 저하 또는 변화를 최소화하도록 선택해야 하며, 이는 센서에 추가적인 응력을 가하여 오프셋을 유발할 수 있습니다.
• 인클로저의 고유 진동수에 대해 가정하지 마십시오. 단순한 인클로저의 경우 자연 진동 모드를 계산하고 보다 복잡한 인클로저 설계의 경우 유한 요소 분석이 유용합니다.
• 가속도계를 기판에 납땜할 때 발생하는 응력은 최대 몇 mg의 오프셋 이동을 유발하는 것으로 나타났습니다. 이 효과를 완화하기 위해 PCB 랜딩 패턴의 대칭, 열 패드 및 PCB의 구리 트레이스를 통한 전도 경로가 권장됩니다. 가속도계의 데이터 시트에 제공된 납땜 가이드를 자세히 따르십시오. 또한 어떤 경우에는 교정 전 솔더 어닐링 또는 열 순환이 스트레스 축적을 완화하고 장기적인 안정성 문제를 관리하는 데 도움이 되는 것으로 관찰되었습니다.

포팅 컴파운드

포팅 컴파운드는 인클로저 내부의 전자 장치를 고정하는 데 널리 사용됩니다. 센서 패키지가 랜드 그리드 어레이(LGA)와 같은 오버몰드 플라스틱인 경우 포팅 화합물의 사용은 온도 계수(TC)가 인클로저 재료와 일치하지 않아 센서에 직접 압력이 가해진 다음 오프셋되기 때문에 권장되지 않습니다. . 밀폐된 세라믹 패키지로 제공되는 3축 고정밀 MEMS 가속도계는 TC 효과로부터 센서를 크게 보호합니다. 그러나 포팅 화합물은 시간이 지남에 따라 재료가 저하되어 PCB에 스트레스가 쌓이는 데 여전히 기여할 수 있으며, 잠재적으로 실리콘 다이에 대한 작은 휨을 통해 센서에 변형을 일으킬 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 높은 안정성이 요구되는 애플리케이션에서는 일반적으로 센서를 포팅하지 않는 것이 좋습니다. 파릴렌 C와 같은 저응력 컨포멀 코팅은 포팅 대신 수분 장벽을 제공할 수 있습니다. ⁸

기류, 열 전달 및 열 균형

최고의 센서 성능을 달성하려면 온도 안정성이 최적화된 설정에서 감지 시스템을 설계, 위치 지정 및 활용하는 것이 중요합니다. 이 기사에서 알 수 있듯이 온도가 조금만 변해도 센서 다이의 열 응력 차이로 인해 예상치 못한 결과가 나타날 수 있습니다. 다음은 몇 가지 팁입니다.

• 센서는 센서 전체의 열 기울기가 최소화되도록 PCB에 배치해야 합니다. 예를 들어, 선형 조절기는 상당한 양의 열을 생성할 수 있습니다. 따라서 센서에 근접하면 레귤레이터에서 시간이 지남에 따라 전류 출력에 따라 달라질 수 있는 MEMS 전체의 온도 구배가 발생할 수 있습니다.
• 가능한 경우 센서 모듈을 공기 흐름에서 떨어진 곳에 배치해야 합니다(예:HVAC). 빈번한 온도 변동을 방지합니다. 가능하지 않은 경우 패키지 외부 또는 내부의 단열이 도움이 되며 단열을 통해 달성할 수 있습니다. 전도 및 대류 열 경로를 모두 고려해야 합니다.
• 인클로저의 열 질량을 선택하여 환경 열 변화가 불가피한 애플리케이션에서 환경 열 변동을 감쇠시키는 것이 좋습니다.

결론

이 기사에서는 환경 및 기계적 영향에 대한 적절한 고려 없이 고정밀 MEMS 가속도계의 성능이 어떻게 저하될 수 있는지 보여주었습니다. 안목 있는 엔지니어는 전체론적 설계 관행과 시스템 수준에서의 초점을 통해 센서 시스템에 대한 탁월한 성능을 달성할 수 있습니다. 우리 중 많은 사람들이 삶에서 전례 없는 스트레스를 경험하고 있으므로 가속도계와 마찬가지로 우리를 죽이는 것은 결코 스트레스가 아니라 스트레스에 대한 우리의 반응이라는 사실을 깨닫는 것이 유용합니다!

참조

• 크리스 머피. "응용 분야에 가장 적합한 MEM 가속도계 선택 - 1부." 아날로그 대화, Vol. 51, 4번, 2017년 10월.
• 크리스 머피. "온도와 진동이 있는 상태에서 가속도계 기울기 측정." 아날로그 대화, 2017년 8월.
• SDP-K1 평가 시스템. Analog Devices, Inc.
• Mbed:SDP-K1 사용 설명서. Analog Devices, Inc.
• PanaVise 굴절식 암 마운트. 파나비즈.
• Mbed 코드. Analog Devices, Inc.
• Weller 6966C 가열/냉각 공기총. 웰러.
• 파릴렌. 위키피디아.