Optimización de la detección de inclinación / ángulo de alta precisión:mejora del rendimiento

En la primera parte de esta serie, revisamos la estructura interna de un acelerómetro MEMS de alta precisión de 3 ejes. En la segunda parte, revisamos cómo adquirir un buen conjunto de datos inicial para establecer el rendimiento de referencia y validar qué tipo de niveles de ruido esperar en los análisis de datos posteriores. En esta última entrega de nuestra serie, exploramos otros factores que afectan la estabilidad y luego ofrecemos recomendaciones de diseño de sistemas mecánicos para mejorar el rendimiento general de un acelerómetro MEMS de alta precisión de 3 ejes.

Una vez que se comprenden bien las tensiones térmicas en el diseño, otro aspecto importante de los sensores inerciales es su estabilidad o repetibilidad a largo plazo. La repetibilidad se define como la precisión de las mediciones sucesivas en la misma condición durante un largo período de tiempo. Por ejemplo, tomar dos medidas de un campo de gravedad en la misma orientación con respecto a la gravedad a la misma temperatura durante un período prolongado y ver qué tan bien coinciden. La repetibilidad de la compensación y la sensibilidad son de suma importancia al evaluar la estabilidad a largo plazo de un sensor en aplicaciones que no pueden adaptarse a la calibración de mantenimiento regular. Muchos fabricantes de sensores no caracterizan ni especifican la estabilidad a largo plazo en sus hojas de datos. En la hoja de datos ADXL355 de ADI, por ejemplo, se predice la repetibilidad para una vida útil de 10 años e incluye cambios medidos debido a la prueba de vida operativa a alta temperatura (HTOL) (TA =150 ° C, VSUPPLY =3.6 V y 1000 horas), medido ciclos de temperatura (−55 ° C a + 125 ° C y 1000 ciclos), caminata aleatoria de velocidad, ruido de banda ancha e histéresis de temperatura. La repetibilidad como se muestra en la hoja de datos es de ± 2 m g y ± 3 m g para sensores X / Y y Z, respectivamente. Estas medidas son importantes para evaluar el desempeño a largo plazo.

La repetibilidad en condiciones mecánicas, ambientales e inerciales estables sigue la ley de la raíz cuadrada en lo que respecta al tiempo medido. Por ejemplo, para obtener la repetibilidad de desplazamiento del eje x durante 2,5 años (posiblemente un perfil de misión más corto para un producto final), utilice la siguiente ecuación:± 2 m g × √ (2,5 años / 10 años) =± 1 m g . La Figura 1 muestra un ejemplo de resultado de prueba HTOL de 0 g compensar la deriva de 32 dispositivos durante 23 días. La ley de la raíz cuadrada es claramente observable en esta figura. También debe destacarse que cada parte se comporta de manera diferente, algunas funcionan mejor que otras, debido a la variación del proceso en la fabricación de los sensores MEMS.

Figura 1. 500 horas de estabilidad a largo plazo del ADXL355. (Fuente:Analog Devices)

Recomendaciones de diseño de sistemas mecánicos

Armado con el conocimiento de la discusión anterior, está claro que las interfaces de montaje mecánico y el diseño de la caja contribuirán al rendimiento general de un sensor acelerómetro MEMS de alta precisión de 3 ejes, ya que afectarán las tensiones físicas propagadas al sensor. En general, el montaje mecánico, la caja y el sensor forman un sistema de segundo orden (o superior); por lo tanto, su respuesta varía entre resonancia o sobreamortiguada.

Los sistemas de soporte mecánico tienen modos que representan estos sistemas de segundo orden (definidos por la frecuencia de resonancia y el factor de calidad). En la mayoría de los casos, el objetivo es comprender estos factores y minimizar sus impactos en el sistema de detección. Por lo tanto, la geometría de cualquier recinto en el que se empaquetará el sensor, y todas las interfaces y materiales, deben elegirse para evitar la atenuación mecánica (debido a la sobreamortiguación) o la amplificación (debido a la resonancia) dentro del ancho de banda de la aplicación del acelerómetro. Los detalles de tales consideraciones de diseño están fuera del alcance de este artículo; sin embargo, se enumeran brevemente algunos elementos prácticos:

PCB, montaje y carcasa

• Fije firmemente la PCB a un sustrato de cuerpo rígido. El uso de múltiples tornillos de montaje en combinación con adhesivo en la parte posterior de la PCB ofrece el mejor soporte.
• Coloque el sensor cerca de un tornillo de montaje o un sujetador. Si la geometría de la PCB es grande (unas pocas pulgadas), use varios tornillos de montaje en el medio de la placa para evitar la vibración de baja frecuencia de la PCB, que se acoplará al acelerómetro y se medirá.
• Si las placas de circuito impreso solo están soportadas mecánicamente por una estructura de ranura / lengüeta, utilice una placa de circuito impreso más gruesa (se recomienda un grosor superior a 2 mm). En el caso de PCB con geometría más grande, aumente el grosor para mantener la rigidez del sistema. Utilice análisis de elementos finitos, como ANSYS o similar, para obtener la geometría y el grosor óptimos de la PCB para un diseño específico.
• Para aplicaciones como el monitoreo de la salud estructural donde los sensores se miden durante un período de tiempo prolongado, la estabilidad a largo plazo de los sensores es fundamental. Los materiales de empaque, PCB y adhesivos deben elegirse para minimizar la degradación o el cambio en las propiedades mecánicas con el tiempo, lo que podría contribuir a tensiones adicionales en el sensor y, por lo tanto, compensaciones.
• Evite hacer suposiciones sobre las frecuencias naturales del recinto. Será útil el cálculo de los modos de vibración natural en el caso de envolventes simples y el análisis de elementos finitos en el caso de diseños de envolventes más complejos.
• Se ha demostrado que la acumulación de estrés al soldar el acelerómetro a una placa causa un desplazamiento de compensación de hasta unos pocos mg. Para aliviar este efecto, se recomienda la simetría en el patrón de aterrizaje de la PCB, las almohadillas térmicas y las rutas de conducción a través del trazado de cobre en la PCB. Siga de cerca la guía de soldadura proporcionada en la hoja de datos del acelerómetro. También se observa que, en algunos casos, el recocido de soldadura o los ciclos térmicos antes de cualquier calibración son útiles para aliviar la acumulación de tensión y gestionar problemas de estabilidad a largo plazo.

Compuestos para macetas

Los compuestos para macetas se utilizan ampliamente para asegurar la electrónica dentro de un recinto. Si el paquete del sensor es un plástico sobremoldeado, como la matriz de rejilla terrestre (LGA), se desaconseja el uso de compuestos para macetas debido a que su coeficiente de temperatura (TC) no coincide con el material de la carcasa, lo que hace que la presión se ejerza directamente sobre el sensor y luego se desplace. . Un acelerómetro MEMS de alta precisión de 3 ejes que viene en un paquete de cerámica herméticamente sellado protege significativamente el sensor del efecto TC. Pero los compuestos de encapsulado aún pueden contribuir a la acumulación de tensión en la PCB como resultado de la degradación del material con el tiempo, lo que podría causar tensión en el sensor a través de pequeñas deformaciones en la matriz de silicio. En general, se recomienda evitar encapsular los sensores en aplicaciones en las que se requiere una alta estabilidad en el tiempo. Los revestimientos de conformación de baja tensión, como el parileno C, podrían proporcionar alguna forma de barrera contra la humedad como sustituto del encapsulado. ⁸

Flujo de aire, transferencia de calor y equilibrio térmico

Para lograr el mejor rendimiento del sensor, es importante diseñar, ubicar y utilizar el sistema de detección en un entorno en el que se optimice la estabilidad de la temperatura. Como muestra este artículo, incluso los pequeños cambios de temperatura pueden mostrar resultados inesperados debido a tensiones térmicas diferenciales en la matriz del sensor. A continuación, se ofrecen algunos consejos:

• El sensor debe colocarse en la PCB de modo que los gradientes térmicos a través del sensor sean mínimos. Por ejemplo, los reguladores lineales pueden generar cantidades significativas de calor; por lo tanto, su proximidad al sensor puede causar gradientes de temperatura a través del MEMS que pueden variar con las salidas de corriente a lo largo del tiempo en el regulador.
• Si es posible, el módulo del sensor debe instalarse en áreas alejadas de los flujos de aire (por ejemplo, HVAC) para evitar fluctuaciones frecuentes de temperatura. Si no es posible, el aislamiento térmico fuera o dentro del paquete es útil y se puede lograr con aislamiento térmico. Tenga en cuenta que se deben considerar las rutas térmicas de conducción y convección.
• Se recomienda elegir la masa térmica del cerramiento de manera que amortigüe las fluctuaciones térmicas ambientales en aplicaciones donde los cambios térmicos ambientales son inevitables.

Conclusión

Este artículo ha demostrado cómo se puede degradar el rendimiento de un acelerómetro MEMS de alta precisión sin una consideración adecuada de los efectos ambientales y mecánicos. A través de prácticas de diseño holístico y un enfoque a nivel de sistema, los ingenieros más exigentes pueden lograr un rendimiento excelente para su sistema de sensores. Dado que muchos de nosotros estamos experimentando tensiones sin precedentes en nuestras vidas, es útil darse cuenta de que, al igual que los acelerómetros, nunca es el estrés lo que nos mata, ¡es nuestra reacción!

Referencias

• Chris Murphy. “Elección del acelerómetro MEMs más adecuado para su aplicación — Parte 1” Diálogo analógico, vol. 51, No. 4, octubre de 2017.
• Chris Murphy. "Medición de inclinación del acelerómetro sobre temperatura y en presencia de vibraciones". Diálogo analógico, agosto de 2017.
• Sistema de evaluación SDP-K1. Analog Devices, Inc.
• Mbed:Guía del usuario para SDP-K1. Analog Devices, Inc.
• Soporte de brazo articulado PanaVise. PanaVise.
• Código Mbed. Analog Devices, Inc.
• Pistola de aire de calefacción / refrigeración Weller 6966C. Weller.
• Parileno. Wikipedia.