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克服定向障碍:装配MEMS惯性传感器的实用方法

Marc Smith?? 技术团队主要成员?? Maxim Integrated?? 2014年08月27日 ?? 收藏0

MEMS惯性传感器是解决之道

人体会受到欺骗,并且在有些情况下必须依赖于外部帮助才能实现良好平衡。由于人体容易受空间定向障碍的影响,MEMS惯性传感器提供了一套解决方案。可利用安装正确的惯性传感器建立惯性坐标系参考,帮助用于判断方向和/或运动。利用这些器件可避免错误感观隐患。

为确保惯性传感器工作的可靠性,必须将其正确安装和定向。对于装配惯性传感器,有一套良好的设计实践,只要应用得当,可形成高性能系统。

装配MEMS惯性传感器的实用方法

从一开始就理解基本原理至关重要:发生振动时,惯性传感器在PCB上的位置可能是首先要考虑的事项。因此,惯性传感器如何安装、安装条件,以及其放置位置/方向,均会影响总体机械系统特性。简而言之,如果设计考虑不周,发生运动时惯性信号性能将下降。

注意:也强烈建议分析总机械系统及其对惯性传感器性能的影响。

布置事项

首先从方向开始。相对于一定的基准(常以选定的PCB侧面为参考)放置惯性传感器,并在贴装回流焊接过程中保证定位不变是一项极具挑战性的工作。此外,每级装配(传感器到封装、封装到PCB、PCB到外壳等)都会增加安装误差。由于传感器装配方位(相对于惯性坐标系)决定系统精度,所以此时必须将所有误差降至最小。图2所示为方位不正确引起的误差。软件可校准装配误差,但如果不限制误差源,高阶误差会降低传感器性能。

图2. 惯性传感器装配误差示意。图片来源:Juansempere,en.wikipedia
图2. 惯性传感器装配误差示意。图片来源:Juansempere,en.wikipedia

热机械应力是一种潜在误差源,可在惯性传感器上形成热梯度,引起封装应力;以及在PCB上形成热梯度,将应力传递至惯性传感器。这两种热效应有时难以区分,有些情况下则两者均有。结果造成封装应力,可引起偏差(及偏移)和灵敏度性能误差。发热量较大的器件应远离惯性传感器,但在实际的紧凑的PCB设计中,有时难以满足这一要求。无论如何,必须尽一切努力使惯性传感器远离热源,将温度梯度降至最小。

装配事项

贴装元件时要求了解和应用适合特定回流焊的最佳温度。由于这些操作通常侧重于焊接强度、可靠性和产量(即成本),有时会忽略惯性传感器需要特殊考虑的事项。例如,非最优化的冷却阶段会对惯性传感器封装形成残余应力,从而导致性能下降,造成超出指标的偏差和缩放因子。

PCB的保形涂层常用于防止电路受潮、化学污染(例如盐)以及其他破坏性影响。不建议惯性传感器器件采用保形涂层。涂层会改变传感器的机械条件,影响总机械系统特征。而且难以控制保形涂层的应用(即黏度、干燥厚度)。

机械系统事项

外部运动源(例如惯性信号、冲击、振动)会意外激励PCB产生谐振,在最坏的工作条件下,可能发生惯性信号实际是系统谐振引起的假象的情况。这些错误的信号作为噪声,掩盖惯性信号(例如移动和/或振动)。当发生谐振条件时,惯性传感器相对于PCB上波谷、波节、波峰的位置会造成信号检测性能下降。

图3所示为惯性传感器在PCB上的两种布置方法,标出了主要的谐振模式。左下方位置的传感器位于节区(蓝绿色)。相对于PCB右上方的传感器,该位置的谐振相关角速率减小。第二个惯性传感器位于节区与波谷(以深蓝色表示)斜面之间的边缘处。该传感器处于不平衡位置,在谐振条件下更容易发生加速度和角速率信号畸变。

图3. PCB谐振及惯性传感器布置模拟。下方节区内传感器位置的谐振相关角速率信号被衰减。上方的第二个传感器处于不平衡位置,更容易发生加速度和角速率信号畸变。感谢FEKO提供PCB图像,版权归其所有。
图3. PCB谐振及惯性传感器布置模拟。下方节区内传感器位置的谐振相关角速率信号被衰减。上方的第二个传感器处于不平衡位置,更容易发生加速度和角速率信号畸变。感谢FEKO提供PCB图像,版权归其所有。

尽管有很多技术可用于减轻PCB谐振(例如电路板强化、系统阻尼、振动隔离),但仍需对总机械系统进行全面分析。应执行有限元分析(FEA),以识别所有潜在谐振模式及其相关的频率和品质因数。然后即可实施好的设计技巧,增强性能。

结论

本文回顾了运动,理解了MEMS惯性传感器对于帮助克服空间定向障碍的重要性。本文也讨论了不好或不理想的布置、安装条件及系统谐振对MEMS惯性传感器性能的不利影响。遵循正确的设计考虑事项,完全可“绕开”这些“困难重重”的事件,实现MEMS惯性传感器应有的性能。

参考文献

1.Antunano, Melchor J., "FAA:Medical Facts for Pilots," Federal Aviation Administration.Retrieved 8 Dec 2011,http://www.faa.gov/pilots/safety/pilotsafetybrochures/media/SpatialD.pdf#page=1&zoom;=auto,-7,0

2.Ibid, page 5.

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惯性传感器? MEMS? 装配? PCB谐振?

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