优化高精度倾斜角度传感加速度计基本原理

加速度计是非常棒的传感器,它能感应到静态和动态的加速度,这种加速度随重力方向的不同而变化,以适应桥梁开始失效的微妙运动。这些传感器的范围从手机级设备,改变你的显示时,当你倾斜他们的方向,出口控制,战术级设备,帮助导航军事车辆或航天器。然而,和大多数传感器一样,对于传感器来说,在实验室或工作台上表现出色是一回事。在环境和温度压力下,在系统层面上获得这种性能是另一回事了。当加速计像人类一样在其生命周期中经历前所未有的压力时,系统可能会因为这些压力的影响而发生反应和失效。

高精度的倾斜传感系统通常进行校准,以获得高于1°的倾斜精度。利用市场领先的超低噪音和高度稳定的加速度计,例如 Adxl354 或 Adxl355 ,如能适当校正可观测的误差源,可达到0.005度的倾斜精度。然而,只有在压力得到适当缓解的情况下,才能达到这一精确水平。例如,传感器上的压缩/拉伸应力可造成高达20毫克的抵消,因此在1°以上倾斜不准确。

本文综述了用加速度计测量高精度角/倾斜传感系统的性能指标。我们将在本文中首先了解传感器的微观设计,以便更好地理解到微米级的压力和应变的影响。在另一篇文章中,我们将介绍一些令人吃惊的结果,如果不采用整体的机械和物理设计方法,这些结果可能会发生。最后,我们将结束这个系列,设计师可以采取具体步骤,在最高要求的应用程序中最大限度地提高性能。

传感器设计的基本原理

基于内存的加速计可以运行从消费品到军事感知的价格和性能范围。如今,性能最好的低噪音加速度计能够应用于精密倾斜传感、地震成像以及机器人和平台稳定方面的许多新兴应用。高精度倾斜/角度传感应用的重要能力包括优秀的噪声、偏移、可重复性和温度相关补偿,以及振动校正和交叉轴敏感性等二阶效应。

为了更好地理解设计中考虑到的三轴高精度MEMS加速度计的最佳性能,首先回顾该传感器的内部结构,这将澄清三轴对环境参数产生不同响应(例如平面外应力)的原因。在许多情况下,这种平面外应力是由传感器z轴的温度梯度引起的。

图1所示的加速度计由弹簧质量系统组成,类似于许多其他MEMS加速度计。质量响应外部加速度(重力等静态加速度或速度变化等动态加速度)移动,其物理位移由转导机制感知。

图1三轴高精度MEMS加速度计的传感器结构,特别是来自模拟设备的Adxl355。对于X/Y传感器,随着证明质量的移动,锚定的手指和连接在证明质量上的手指之间的电容发生变化。在z轴传感器上的质量不平衡允许对z轴加速度的非平面传感。

MEMS传感器中最常见的转导机制是电容、压阻、压电或磁。像Adxl355这样的加速度计利用电容转导机制,即通过读取电路将电容转换为电压或电流输出,通过电容的变化来感知运动。虽然Adxl355利用电容式转导机制对硅模具上的所有三轴传感器进行传感,但X/Y传感器和Z传感器具有两种根本不同的电容式传感结构。X/Y传感器是基于平面内的差速器,而Z传感器是一种平面外平行板电容传感器,如图1所示。

如果传感器上有压缩或拉伸应力,则MEMS模曲.由于证明质量是悬浮在衬底与弹簧,它不会与衬底一起扭曲,因此,将会改变质量与衬底之间的间隙。对于X/Y传感器,间隙不是电容敏感性的方向,因为平面内位移对手指电容变化的影响最大。这是由于条纹电场的补偿作用.然而,对Z传感器来说,基片和证明质量之间的间隙确实是感觉间隙。因此,它直接影响Z传感器,因为它有效地改变了Z传感器的传感间隙。另一个加重效应是Z传感器位于模具的中央,最大化的变形,以适应任何给定的压力。

在大多数应用中,由于Z轴的传热不对称,除了物理应力外,Z轴传感器的温度梯度也很普遍。在一个典型的应用程序中,传感器被焊接到印刷电路板(印刷电路板)和整个系统在一个包内。X和Y的传热主要是通过包件周长的焊料接头和对称的电路板的导电。但是,在Z方向,由于焊接和模具上方的对流,当热量在空气中流动和从包件中流出,热传递是通过底部的传导。由于这种不匹配,在z轴上会有残余的温差梯度。就像物理上的压缩/拉伸应力一样,这也会在不是由加速度引起的z轴上产生偏移。

在本系列的下一篇文章中,我们回顾了如何获得一个良好的初始数据集,以确定基线性能,并验证在随后的数据分析中期望的噪声级别。