微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器的設(shè)計在本質(zhì)上對運(yùn)動非常敏感，可有效檢測和處理線性加速、磁航向、海拔和角速率信息。為充分利用慣性傳感器的性能潛力，設(shè)計者必須熟悉總體機(jī)械系統(tǒng)，密切關(guān)注應(yīng)用中的運(yùn)動源和諧振。

 

本文介紹了MEMS慣性傳感器（例如陀螺儀和加速計）如何幫助人或機(jī)器克服空間定向障礙。文章介紹了外力和運(yùn)動對系統(tǒng)工作的影響，以及元件布局和安裝條件(空間關(guān)系)對MEMS慣性傳感器性能的直接影響。系統(tǒng)配置各有不同(例如電路板尺寸、材質(zhì)、安裝方法)，設(shè)計者需要根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計特定的方案。文章還介紹了如何檢測并減少錯誤的慣性信號。對于實(shí)際環(huán)境中出現(xiàn)有害的移動信號和系統(tǒng)共振的情況，文章給出增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)工作的實(shí)用建議。

 

 

 

本文首先從討論平衡開始，以人類耳朵為例。圖1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，并且充滿液體。當(dāng)耳蝸移動時，液體由于慣性的原因并不移動。纖毛感測這種運(yùn)動差異，并將神經(jīng)脈沖傳輸至我們的腦部，表現(xiàn)為聲音。

 

圖1. 人體平衡和聽力是內(nèi)耳中復(fù)雜平衡器官的一部分。

 

人耳也包含用于平衡的運(yùn)動檢測系統(tǒng)。三個半規(guī)管的作用類似于相互垂直的陀螺儀，感測并將脈沖信號送至腦部，表示人的平衡狀態(tài)。不幸的是，我們感測運(yùn)動的方式存在局限性。

 

如果運(yùn)動小于2度每秒時，我們將感測不到；如果穩(wěn)定運(yùn)動的時間超過20至25秒，我們則會停止感測運(yùn)動。這種人類局限性會引起錯亂。在內(nèi)耳中存在其他兩個感覺器官：橢圓囊感測線性加速度，球囊感測重力。耳朵中的全部5個感覺器官向腦部傳送身體方位和運(yùn)動信息，幫助我們平衡。這和眼睛一起，幫助我們維持平衡，并且在頭部運(yùn)動或身體旋轉(zhuǎn)時使我們的眼睛盯住目標(biāo)。

 

飛機(jī)中的飛行員與空間定向

 

飛行員都知道不要靠直覺(即不依賴于內(nèi)部感觀)飛行，而是要依賴于飛行儀表。這非常難以掌握，尤其在緊急和恐慌的情況下。

 

根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的信息，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(zhuǎn)彎后恢復(fù)水平飛行有關(guān)。例如，當(dāng)飛行員開始傾斜向左轉(zhuǎn)彎時，最初會感覺到在相同方向的轉(zhuǎn)彎；如果繼續(xù)向左轉(zhuǎn)彎(約20秒或更長)，飛行員就會覺得飛機(jī)不再向左轉(zhuǎn)彎。此時，如果飛行員試圖將機(jī)翼調(diào)整水平，這一動作將會使其感覺到飛機(jī)正在向相反的方向(向右)轉(zhuǎn)彎和傾斜。如果飛行員相信向右轉(zhuǎn)彎的錯覺(會非常強(qiáng)烈)，他將試圖糾正右轉(zhuǎn)的感覺，從而重新進(jìn)入最初的左轉(zhuǎn)。不幸的是，發(fā)生這一切時，飛機(jī)仍在左轉(zhuǎn)，并正在下降。正在轉(zhuǎn)彎時拉起控制桿并增加動力不是一個好主意——只能使飛機(jī)更向左轉(zhuǎn)。如果飛行員沒有認(rèn)識到錯覺，未能使機(jī)翼水平，飛機(jī)將繼續(xù)左轉(zhuǎn)并降低高度，直到撞擊地面（參考文獻(xiàn)2）。

 

問題是MEMS陀螺儀和加速計能夠幫助飛行員克服空間定向障礙嗎？

 

 

人體會受到欺騙，并且在有些情況下必須依賴于外部幫助才能實(shí)現(xiàn)良好平衡。由于人體容易受空間定向障礙的影響，MEMS慣性傳感器提供了一套解決方案?？衫冒惭b正確的慣性傳感器建立慣性坐標(biāo)系參考，幫助用于判斷方向和/或運(yùn)動。利用這些器件可避免錯誤感觀隱患。

 

為確保慣性傳感器工作的可靠性，必須將其正確安裝和定向。對于裝配慣性傳感器，有一套良好的設(shè)計實(shí)踐，只要應(yīng)用得當(dāng)，可形成高性能系統(tǒng)。

 

 

從一開始就理解基本原理至關(guān)重要：發(fā)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(xiàng)。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(jī)械系統(tǒng)特性。簡而言之，如果設(shè)計考慮不周，發(fā)生運(yùn)動時慣性信號性能將下降。

 

注意：也強(qiáng)烈建議分析總機(jī)械系統(tǒng)及其對慣性傳感器性能的影響。

 

 

首先從方向開始。相對于一定的基準(zhǔn)(常以選定的PCB側(cè)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(xiàng)極具挑戰(zhàn)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(biāo)系)決定系統(tǒng)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(zhǔn)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。圖片來源：Juansempere，en.wikipedia

 

熱機(jī)械應(yīng)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(yīng)力；以及在PCB上形成熱梯度，將應(yīng)力傳遞至慣性傳感器。這兩種熱效應(yīng)有時難以區(qū)分，有些情況下則兩者均有。結(jié)果造成封裝應(yīng)力，可引起偏差(及偏移)和靈敏度性能誤差。發(fā)熱量較大的器件應(yīng)遠(yuǎn)離慣性傳感器，但在實(shí)際的緊湊的PCB設(shè)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(yuǎn)離熱源，將溫度梯度降至最小。

 

 

貼裝元件時要求了解和應(yīng)用適合特定回流焊的最佳溫度。由于這些操作通常側(cè)重于焊接強(qiáng)度、可靠性和產(chǎn)量(即成本)，有時會忽略慣性傳感器需要特殊考慮的事項(xiàng)。例如，非最優(yōu)化的冷卻階段會對慣性傳感器封裝形成殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致性能下降，造成超出指標(biāo)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(xué)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(jī)械條件，影響總機(jī)械系統(tǒng)特征。而且難以控制保形涂層的應(yīng)用(即黏度、干燥厚度)。

 

 

外部運(yùn)動源(例如慣性信號、沖擊、振動)會意外激勵PCB產(chǎn)生諧振，在最壞的工作條件下，可能發(fā)生慣性信號實(shí)際是系統(tǒng)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(dāng)發(fā)生諧振條件時，慣性傳感器相對于PCB上波谷、波節(jié)、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(biāo)出了主要的諧振模式。左下方位置的傳感器位于節(jié)區(qū)(藍(lán)綠色)。相對于PCB右上方的傳感器，該位置的諧振相關(guān)角速率減小。第二個慣性傳感器位于節(jié)區(qū)與波谷(以深藍(lán)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(fā)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(jié)區(qū)內(nèi)傳感器位置的諧振相關(guān)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(fā)生加速度和角速率信號畸變。感謝FEKO提供PCB圖像，版權(quán)歸其所有。

 

盡管有很多技術(shù)可用于減輕PCB諧振(例如電路板強(qiáng)化、系統(tǒng)阻尼、振動隔離)，但仍需對總機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行全面分析。應(yīng)執(zhí)行有限元分析(FEA)，以識別所有潛在諧振模式及其相關(guān)的頻率和品質(zhì)因數(shù)。然后即可實(shí)施好的設(shè)計技巧，增強(qiáng)性能。

 

 

本文回顧了運(yùn)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(tǒng)諧振對MEMS慣性傳感器性能的不利影響。遵循正確的設(shè)計考慮事項(xiàng)，完全可“繞開”這些“困難重重”的事件，實(shí)現(xiàn)MEMS慣性傳感器應(yīng)有的性能。

 

 

 

推薦閱讀：