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裝配MEMS慣性感測器的實用方法

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 裝配MEMS慣性感測器的實用方法

克服定向障礙

【撰文/Marc Smith

MEMS慣性感測器的設計在本質上對運動非常敏感,可有效檢測和處理線性加速、磁航向、海拔和角速率資訊。為充分利用慣性感測器的性能潛力,設計者必須熟悉總體機械系統,密切關注應用中的運動源和諧振。

兒童和狗能夠毫不費力地辨別方向以及控制體操動作。有些人認為這就像“小孩遊戲”一樣簡單,直到他們試圖使機器人模仿這種本領。人類定向系統的複雜性不可思議,當我們在地面上時的表現非常出色。相反,在飛機上時,我們則處於一種不熟悉的三維環境下,再加上缺少視覺定向參考,就難以或不可能管理空間(距離)方位。5%至10%的一般航空事故與空間定向障礙有關,其中90%是致命的。

微機電系統(MEMS)慣性感測器的設計在本質上對運動非常敏感,可有效檢測和處理線性加速、磁航向、海拔和角速率資訊。為充分利用慣性感測器的性能潛力,設計者必須熟悉總體機械系統,密切關注應用中的運動源和諧振。

本文介紹MEMS慣性感測器,例如陀螺儀和加速計,如何説明人或機器克服空間定向障礙。我們介紹外力和運動對系統工作的影響,以及元件佈局和安裝條件(空間關係)對MEMS慣性感測器性能的直接影響。系統組態各有不同(例如電路板尺寸、材質、安裝方法),設計者需要根據具體應用設計特定的方案。文章還介紹如何檢測並減少錯誤的慣性信號。對於實際環境中出現有害的移動信號和系統共振的情況,文章給出增強感測器系統工作的實用建議。

人類的平衡

我們首先從討論平衡開始,以人類耳朵為例。圖一中的耳蝸是聽覺器官。耳膜通過我們身體中一些最小的骨骼振動耳蝸。耳蝸長有毫毛或纖毛,並且充滿液體。當耳蝸移動時,液體由於慣性的原因並不移動。纖毛感測這種運動差異,並將神經脈衝傳輸至我們的腦部,表現為聲音。  

 

@圖一:人體平衡和聽力是內耳中複雜平衡器官的一部分。

人耳也包含用於平衡的運動檢測系統。三個半規管的作用類似於相互垂直的陀螺儀,感測並將脈衝信號送至腦部,表示人的平衡狀態。不幸的是,我們感測運動的方式存在局限性。 

如果運動小於2度每秒時,我們將感測不到;如果穩定運動的時間超過20至25秒,我們則會停止感測運動。這種人類局限性會引起錯亂。在內耳中存在其它兩種感覺器官:橢圓囊感測線性加速度,球囊感測重力。耳朵中的全部5個感測器向腦部傳送身體方位和運動資訊,説明我們平衡。這和眼睛一起,幫助我們維持平衡,並且在頭部運動或身體旋轉時使我們的眼睛盯住目標。 

飛機中的飛行員與空間定向

飛行員都知道不要靠直覺飛行(即不依賴於內部感觀),而是要依賴於飛行儀錶。這非常難以掌握,尤其在緊急和恐慌情況下。根據美國聯邦航空管理局(FAA)的資訊,飛行員受一種稱為“墓地盤旋”的常見錯覺影響。這與有意識或無意識長時間傾斜轉彎後恢復水準飛行有關。

例如,當飛行員開始傾斜向左轉彎時,最初會感覺到在相同方向的轉彎;如果繼續向左轉彎(約20秒或更長),飛行員就會覺得飛機不再向左轉彎。此時,如果飛行員試圖將機翼調整水準,這一動作將會使其感覺到飛機正在向相反的方向(向右)轉彎和傾斜。

如果飛行員相信向右轉彎的錯覺(會非常強烈),他/她將試圖糾正右轉的感覺,從而重新進入最初的左轉。不幸的是,發生這一切時,飛機仍在左轉,並正在下降。正在轉彎時拉起控制杆並增加動力不是一個好主意——只能使飛機更向左轉。如果飛行員沒有認識到錯覺,未能使機翼水準,飛機將繼續左轉並降低高度,直到撞擊地面。

問題是MEMS陀螺儀和加速計能夠説明飛行員克服空間定向障礙嗎?

MEMS慣性感測器是解決之道

人體會受到欺騙,並且在有些情況下必須依賴於外部幫助才能實現良好平衡。由於人體容易受空間定向障礙的影響,MEMS慣性感測器提供了一套解決方案。可利用安裝正確的慣性感測器建立慣性坐標系參考,幫助用於判斷方向和/或運動。利用這些器件可避免錯誤感觀隱患。     

為確保慣性感測器工作的可靠性,必須將其正確安裝和定向。對於裝配慣性感測器,有一套良好的設計實踐,只要應用得當,可形成高性能系統。       

裝配MEMS慣性感測器的實用方法

從一開始就理解基本原理至關重要:發生振動時,慣性感測器在PCB上的位置可能是首先要考慮的事項。所以,慣性感測器如何安裝、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感測器性能的影響。

佈置事項

我們首先從方向開始。相對于一定的基準(常以選定的PCB側面為參考)放置慣性感測器,並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(感測器到封裝、封裝到PCB、PCB到外殼等)都會增加安裝誤差。由於感測器裝配方位(相對於慣性坐標系)決定系統精度,所以此時必須將所有誤差降至最小。圖二所示為方位不正確引起的誤差。軟體可校準裝配誤差,但如果不限制誤差源,高階誤差會降低感測器性能。  

 

@圖二:慣性感測器裝配誤差示意。<圖片來源:Juansempere,en.wikipedia>

熱機械應力是一種潛在誤差源,可在慣性感測器上形成熱梯度,引起封裝應力;以及在PCB上形成熱梯度,將應力傳遞至慣性感測器。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感測器,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,使慣性感測器遠離熱源,將溫度梯度降至最小。

裝配事項

貼裝元件時要求瞭解和應用適合特定回流焊的最佳溫度。由於這些操作通常側重於焊接強度、可靠性和產量(即成本),有時會忽略慣性感測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感測器封裝形成殘餘應力,從而導致性能下降,造成超出指標的偏差和縮放因數。

PCB的保形塗層常用於防止電路受潮、化學污染(例如鹽)以及其它破壞性影響。建議慣性感測器元件採用保形塗層,塗層會改變感測器的機械條件,影響總機械系統特徵。而且難以控制保形塗層的應用(即黏度、乾燥厚度)。

機械系統事項

外部運動源(例如慣性信號、衝擊、振動)會意外激勵PCB產生諧振,在最壞工作條件下,會造成慣性信號實際是系統諧振引起的假像的情況。這些錯誤的信號作為雜訊,掩蓋慣性信號(例如移動和/或振動)。當發生諧振條件時,慣性感測器相對於PCB上波谷、波節、波峰的位置會造成信號檢測性能下降。

圖三所示為慣性感測器在PCB上的兩種佈置方法,標出了主要的諧振模式。左下方位置為結區的感測器(藍綠色)。相對于PCB右上方的感測器,該位置的諧振相關角速率減小。第二個慣性感測器位於結區與波谷(以深藍色表示)斜面之間。該感測器處於不平衡位置,在諧振條件下更容易發生加速度和角速率信號畸變。    

儘管有很多技術可用於減輕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Q。然後即可實施好的設計技巧,增強性能。    

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圖三:PCB諧振及慣性感測器佈置模擬。下方結區內感測器位置的諧振相關角速率信號被衰減。上方的第二個感測器處於不平衡位置,更容易發生加速度和角速率信號畸變。

結語

我們回顧了運動,理解了MEMS慣性感測器對於幫助克服空間定向障礙的重要性。我們也討論了佈置、安裝條件及系統諧振對MEMS慣性感測器性能的不利影響。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慣性感測器應有的性能。 

(本文作者為Maxim Integrated技術團隊主要成員)

【全文刊載於《CTIMES雜誌201410月號】-- CTIMES粉絲團

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