裝配MEMS慣性傳感器的實用方法

　　布置事項

　　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。

　　裝配事項

　　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。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)。

　　機(jī)械系統(tǒng)事項

　　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)。然后即可實施好的設(shè)計技巧，增強(qiáng)性能。

　　結(jié)論

　　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，完全可“繞開”這些“困難重重”的事件，實現(xiàn)MEMS慣性傳感器應(yīng)有的性能。