Pada bagian pertama dari seri ini, kami meninjau struktur internal akselerometer MEMS presisi tinggi 3-sumbu. Di bagian dua, kami meninjau cara memperoleh kumpulan data awal yang baik untuk menetapkan kinerja dasar dan memvalidasi tingkat kebisingan seperti apa yang diharapkan dalam analisis data berikutnya. Dalam angsuran terakhir dari seri kami ini, kami mengeksplorasi faktor-faktor lain yang mempengaruhi stabilitas dan kemudian menawarkan rekomendasi desain sistem mekanis untuk meningkatkan kinerja keseluruhan akselerometer MEMS presisi tinggi 3-sumbu.
Setelah tekanan termal dalam desain dipahami dengan baik, aspek penting lainnya dari sensor inersia adalah stabilitas jangka panjangnya, atau pengulangan. Pengulangan didefinisikan sebagai akurasi pengukuran berturut-turut di bawah kondisi yang sama selama periode waktu yang lama. Misalnya, mengambil dua pengukuran medan gravitasi dalam orientasi yang sama terhadap gravitasi pada suhu yang sama selama periode yang diperpanjang dan melihat seberapa cocok keduanya. Pengulangan untuk offset dan sensitivitas sangat penting saat menilai stabilitas jangka panjang sensor dalam aplikasi yang tidak dapat mengakomodasi kalibrasi perawatan rutin. Banyak produsen sensor tidak mencirikan atau menentukan stabilitas jangka panjang dalam lembar data mereka. Dalam lembar data ADXL355 ADI, misalnya, pengulangan diprediksi selama 10 tahun dan termasuk pergeseran terukur karena uji masa pakai suhu tinggi (HTOL) (TA =150 °C, VSUPPLY =3,6 V, dan 1000 jam), diukur siklus suhu (−55 °C hingga +125°C dan 1000 siklus), kecepatan jalan acak, kebisingan broadband, dan histeresis suhu. Pengulangan seperti yang ditunjukkan pada lembar data adalah ±2 mg dan ±3 mg untuk sensor X/Y dan Z, masing-masing. Pengukuran ini penting untuk mengevaluasi kinerja jangka panjang.
Pengulangan di bawah kondisi mekanik, lingkungan, dan inersia yang stabil mengikuti hukum akar kuadrat yang berkaitan dengan waktu yang diukur. Misalnya, untuk mendapatkan pengulangan offset sumbu x selama 2,5 tahun (mungkin profil misi yang lebih pendek untuk produk akhir), gunakan persamaan berikut:±2 mg × (2,5 tahun/10 tahun) =±1 mg . Gambar 1 menunjukkan contoh hasil tes HTOL 0 g offset drift 32 perangkat selama 23 hari. Hukum akar kuadrat terlihat jelas pada gambar ini. Perlu juga disoroti bahwa setiap bagian berperilaku berbeda—beberapa bekerja lebih baik daripada yang lain—karena variasi proses dalam fabrikasi sensor MEMS.
Gambar 1. Stabilitas jangka panjang 500 jam ADXL355. (Sumber:Perangkat Analog)
Rekomendasi Desain Sistem Mekanik
Berbekal pengetahuan dari diskusi sebelumnya, jelas bahwa antarmuka pemasangan mekanis dan desain penutup akan berkontribusi pada kinerja keseluruhan dari sensor akselerometer MEMS presisi tinggi 3-sumbu karena akan mempengaruhi tekanan fisik yang disebarkan ke sensor. Secara umum, pemasangan mekanis, selungkup, dan sensor membentuk sistem orde kedua (atau lebih tinggi); oleh karena itu, responsnya bervariasi antara resonansi atau overdamped.
Sistem pendukung mekanis memiliki mode yang mewakili sistem orde kedua ini (didefinisikan oleh frekuensi resonansi dan faktor kualitas). Dalam kebanyakan kasus, tujuannya adalah untuk memahami faktor-faktor ini dan meminimalkan dampaknya pada sistem penginderaan. Dengan demikian, geometri selungkup apa pun tempat sensor akan dikemas, dan semua antarmuka dan material, harus dipilih untuk menghindari redaman mekanis (karena redaman berlebih) atau amplifikasi (karena resonansi) dalam bandwidth aplikasi akselerometer. Rincian pertimbangan desain tersebut berada di luar cakupan artikel ini; namun, beberapa item praktis dicantumkan secara singkat:
PCB, Pemasangan, dan Penutup
Pasang PCB dengan aman ke substrat bodi kaku. Penggunaan beberapa sekrup pemasangan yang dikombinasikan dengan perekat di bagian belakang PCB menawarkan dukungan terbaik.
Tempatkan sensor di dekat sekrup pemasangan atau pengencang. Jika geometri PCB besar (beberapa inci), gunakan beberapa sekrup pemasangan di tengah papan untuk menghindari getaran frekuensi rendah pada PCB, yang akan berpasangan dengan akselerometer dan diukur.
Jika PCB hanya ditopang secara mekanis oleh struktur alur/lidah, gunakan PCB yang lebih tebal (disarankan tebal lebih dari 2 mm). Dalam kasus PCB dengan geometri yang lebih besar, tingkatkan ketebalan untuk mempertahankan kekakuan sistem. Gunakan analisis elemen hingga, seperti ANSYS atau sejenisnya, untuk geometri dan ketebalan PCB yang optimal untuk desain tertentu.
Untuk aplikasi seperti pemantauan kesehatan struktural di mana sensor diukur untuk jangka waktu yang lama, stabilitas sensor dalam jangka panjang sangat penting. Kemasan, PCB, dan bahan perekat harus dipilih untuk meminimalkan degradasi atau perubahan sifat mekanik dari waktu ke waktu, yang dapat berkontribusi pada tekanan tambahan pada sensor, dan, karenanya, offset.
Hindari membuat asumsi tentang frekuensi alami enklosur. Perhitungan mode getaran alami dalam kasus selungkup sederhana dan analisis elemen hingga dalam kasus desain selungkup yang lebih kompleks akan berguna.
Penumpukan tegangan akibat menyolder akselerometer ke papan telah terbukti menyebabkan pergeseran offset hingga beberapa mg. Untuk mengurangi efek ini, simetri dalam pola pendaratan PCB, bantalan termal, dan jalur konduksi melalui jejak tembaga pada PCB direkomendasikan. Ikuti dengan cermat panduan penyolderan yang disediakan di lembar data akselerometer. Juga diamati bahwa, dalam beberapa kasus, penyolderan anil atau siklus termal sebelum kalibrasi apa pun berguna untuk menghilangkan penumpukan stres dan untuk mengelola masalah stabilitas jangka panjang.
Senyawa Pot
Senyawa pot banyak digunakan untuk mengamankan elektronik di dalam selungkup. Jika paket sensor adalah plastik yang overmold, seperti land grid array (LGA), penggunaan senyawa pot sangat tidak disarankan karena koefisien suhu (TC) tidak cocok dengan bahan selungkup yang mengakibatkan tekanan diberikan langsung pada sensor dan kemudian diimbangi . Akselerometer MEMS presisi tinggi 3-sumbu yang hadir dalam kemasan keramik tertutup rapat secara signifikan melindungi sensor dari efek TC. Tetapi senyawa pot masih dapat berkontribusi pada penumpukan tegangan pada PCB sebagai akibat dari degradasi material dari waktu ke waktu, yang berpotensi menyebabkan ketegangan pada sensor melalui lengkungan kecil pada cetakan silikon. Umumnya disarankan untuk menghindari penempatan sensor dalam aplikasi di mana stabilitas tinggi dari waktu ke waktu diperlukan. Pelapis konformal tegangan rendah seperti parylene C dapat memberikan beberapa bentuk penghalang kelembaban sebagai pengganti pot.
8
Aliran Udara, Perpindahan Panas, dan Keseimbangan Termal
Untuk mencapai kinerja sensor terbaik, penting untuk merancang, menemukan, dan memanfaatkan sistem penginderaan dalam pengaturan di mana stabilitas suhu dioptimalkan. Seperti yang ditunjukkan artikel ini, bahkan perubahan kecil pada suhu dapat menunjukkan hasil yang tidak terduga karena tekanan termal diferensial pada die sensor. Berikut beberapa kiatnya:
Sensor harus diposisikan pada PCB sehingga gradien termal di seluruh sensor menjadi minimal. Misalnya, regulator linier dapat menghasilkan panas dalam jumlah yang signifikan; oleh karena itu, kedekatannya dengan sensor dapat menyebabkan gradien suhu di MEMS yang dapat bervariasi dengan keluaran arus dari waktu ke waktu di regulator.
Jika memungkinkan, modul sensor harus ditempatkan di area yang jauh dari aliran udara (misalnya, HVAC) untuk menghindari fluktuasi suhu yang sering terjadi. Jika tidak memungkinkan, isolasi termal di luar atau di dalam kemasan sangat membantu dan dapat dicapai dengan isolasi termal. Perhatikan bahwa jalur termal konduksi dan konveksi perlu dipertimbangkan.
Disarankan untuk memilih massa termal enklosur sedemikian rupa sehingga meredam fluktuasi termal lingkungan dalam aplikasi di mana perubahan termal lingkungan tidak dapat dihindari.
Kesimpulan
Artikel ini telah menunjukkan bagaimana kinerja akselerometer MEMS presisi tinggi dapat diturunkan tanpa pertimbangan yang memadai terhadap efek lingkungan dan mekanis. Melalui praktik desain holistik dan fokus pada tingkat sistem, para insinyur yang cerdas dapat mencapai kinerja yang sangat baik untuk sistem sensor mereka. Karena banyak dari kita mengalami tekanan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam hidup kita, penting untuk menyadari bahwa, seperti halnya akselerometer, tidak pernah stres yang membunuh kita—tetapi reaksi kita terhadapnya!
Referensi
Chris Murphy. “Memilih Akselerometer MEM yang Paling Cocok untuk Aplikasi Anda—Bagian 1.” Dialog Analog, Vol. 51, No. 4, Oktober 2017.
Chris Murphy. “Akselerometer Kemiringan Mengukur Suhu dan Adanya Getaran.” Dialog Analog, Agustus 2017.
Sistem evaluasi SDP-K1. Perangkat Analog, Inc.
Mbed:Panduan Pengguna untuk SDP-K1. Perangkat Analog, Inc.
Mount lengan artikulasi PanaVise. PanaVise.
Kode MB. Perangkat Analog, Inc.
Pistol udara pemanas/pendingin 6966C Weller. Lebih sehat.
