發布日期：2022-10-09 點擊率：55
裝配MEMS慣性傳感器的實用方法
從一開始就理解基本原理至關重要：發生振動時，慣性傳感器在PCB上的位置可能是首先要考慮的事項。因此，慣性傳感器如何安裝、安裝條件，以及其放置位置/方向，均會影響總體機械系統特性。簡而言之，如果設計考慮不周，發生運動時慣性信號性能將下降。
注意：也強烈建議分析總機械系統及其對慣性傳感器性能的影響。
布置事項
首先從方向開始。相對于一定的基準(常以選定的PCB側面為參考)放置慣性傳感器，并在貼裝回流焊接過程中保證定位不變是一項極具挑戰性的工作。此外，每級裝配(傳感器到封裝、封裝到PCB、PCB到外殼等)都會增加安裝誤差。由于傳感器裝配方位(相對于慣性坐標系)決定系統精度，所以此時必須將所有誤差降至最小。圖2所示為方位不正確引起的誤差。軟件可校準裝配誤差，但如果不限制誤差源，高階誤差會降低傳感器性能。
圖2.慣性傳感器裝配誤差示意。
熱機械應力是一種潛在誤差源，可在慣性傳感器上形成熱梯度，引起封裝應力；以及在PCB上形成熱梯度，將應力傳遞至慣性傳感器。這兩種熱效應有時難以區分，有些情況下則兩者均有。結果造成封裝應力，可引起偏差(及偏移)和靈敏度性能誤差。發熱量較大的器件應遠離慣性傳感器，但在實際的緊湊的PCB設計中，有時難以滿足這一要求。無論如何，必須盡一切努力使慣性傳感器遠離熱源，將溫度梯度降至最小。
裝配事項
貼裝元件時要求了解和應用適合特定回流焊的最佳溫度。由于這些操作通常側重于焊接強度、可靠性和產量(即成本)，有時會忽略慣性傳感器需要特殊考慮的事項。例如，非最優化的冷卻階段會對慣性傳感器封裝形成殘余應力，從而導致性能下降，造成超出指標的偏差和縮放因子。
PCB的保形涂層常用于防止電路受潮、化學污染(例如鹽)以及其他破壞性影響。不建議慣性傳感器器件采用保形涂層。涂層會改變傳感器的機械條件，影響總機械系統特征。而且難以控制保形涂層的應用(即黏度、干燥厚度)。
機械系統事項
外部運動源(例如慣性信號、沖擊、振動)會意外激勵PCB產生諧振，在最壞的工作條件下，可能發生慣性信號實際是系統諧振引起的假象的情況。這些錯誤的信號作為噪聲，掩蓋慣性信號(例如移動和/或振動)。當發生諧振條件時，慣性傳感器相對于PCB上波谷、波節、波峰的位置會造成信號檢測性能下降。
圖3所示為慣性傳感器在PCB上的兩種布置方法，標出了主要的諧振模式。左下方位置的傳感器位于節區(藍綠色)。相對于PCB右上方的傳感器，該位置的諧振相關角速率減小。第二個慣性傳感器位于節區與波谷(以深藍色表示)斜面之間的邊緣處。該傳感器處于不平衡位置，在諧振條件下更容易發生加速度和角速率信號畸變。
圖3.PCB諧振及慣性傳感器布置模擬。下方節區內傳感器位置的諧振相關角速率信號被衰減。上方的第二個傳感器處于不平衡位置，更容易發生加速度和角速率信號畸變。
盡管有很多技術可用于減輕PCB諧振(例如電路板強化、系統阻尼、振動隔離)，但仍需對總機械系統進行全面分析。應執行有限元分析(FEA)，以識別所有潛在諧振模式及其相關的頻率和品質因數。然后即可實施好的設計技巧，增強性能。
結 論
本文回顧了運動，理解了MEMS慣性傳感器對于幫助克服空間定向障礙的重要性。本文也討論了不好或不理想的布置、安裝條件及系統諧振對MEMS慣性傳感器性能的不利影響。遵循正確的設計考慮事項，完全可“繞開”這些“困難重重”的事件，實現MEMS慣性傳感器應有的性能。
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