高精度の傾斜/角度検知の最適化：加速度計の基礎

加速度計は素晴らしいセンサーであり、重力に対する方向と同じくらい変化する静的および動的な加速度を、橋の微妙な動きに合わせて感知できるようにします。これらのセンサーは、ディスプレイを傾けたときにディスプレイの向きを変える携帯電話グレードのデバイスから、軍用車両や宇宙船のナビゲートに役立つ輸出管理された戦術グレードのデバイスまで多岐にわたります。[1]ただし、ほとんどのセンサーと同様に、センサーがラボやベンチトップでうまく機能することは1つです。野生で制御されていない環境および温度のストレスに直面して、システムレベルでそのパフォーマンスを実現することはまったく別のことです。人間のように加速度計が生涯で前例のないストレスを経験すると、これらのストレスの影響によりシステムが反応して故障する可能性があります。

高精度の傾斜検知システムは、通常、1°よりも優れた傾斜精度を達成するように校正されています。 ADXL354やADXL355などの市場をリードする超低ノイズと非常に安定した加速度計を利用して、観測可能なエラーソースを適切にキャリブレーションすることで0.005°の傾斜精度を達成できます。[2]ただし、このレベルの精度は、ストレスが適切に軽減された場合にのみ達成できます。たとえば、センサーに圧縮/引張応力がかかると、最大20 mgのオフセットが発生し、1°を超える傾斜の不正確さが生じる可能性があります。

この一連の記事では、加速度計を使用した高精度の角度/傾斜検知システムのパフォーマンスメトリックを確認します。この記事では、ミクロンレベルまでの応力とひずみの影響をよりよく理解するために、顕微鏡レベルでのセンサー設計自体を理解することから始めます。別の記事では、全体的な機械的および物理的な設計アプローチに従わなかった場合に発生する可能性のあるいくつかの驚くべき結果について説明します。最後に、最も要求の厳しいアプリケーションでパフォーマンスを最大化するために設計者が実行できる具体的な手順で、このシリーズを締めくくります。

センサー設計の基礎

MEMSベースの加速度計は、消費者向け製品から軍事用センシングまで、価格とパフォーマンスの全範囲を実行できます。今日、最高のパフォーマンスを発揮する低ノイズ加速度計は、高精度の傾斜検知、地震イメージング、およびロボット工学やプラットフォームの安定化における多くの新しいアプリケーションなどのアプリケーションを可能にします。高精度の傾斜/角度検知アプリケーションの重要な機能には、優れたノイズ、オフセット、再現性、温度関連のオフセット、および振動整流や交差軸感度などの2次効果が含まれます。

3軸高精度MEMS加速度計が最適に機能するための設計上の考慮事項をよりよく理解するには、最初にそのようなセンサーの内部構造を確認することをお勧めします。これにより、3軸が環境パラメーターに対して異なる応答を生成する理由が明らかになります（たとえば、 、面外応力）。多くの場合、この面外応力は、センサーのz軸を横切る温度勾配によって引き起こされます。

図1に示す加速度計は、他の多くのMEMS加速度計と同様に、ばね質量システムで構成されています。質量は外部加速度（重力のような静的加速度または速度変化のような動的加速度）に応答して移動し、その物理的変位は変換メカニズムによって検出されます。

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図1.3軸高精度MEMS加速度計、特にアナログ・デバイセズのADXL355のセンサーアーキテクチャ。 X / Yセンサーの場合、プルーフマスが移動すると、固定されたフィンガーとプルーフマスに取り付けられたフィンガーの間の静電容量が変化します。 z軸センサーの質量の不均衡により、z軸加速度の面外検知が可能になります。 （出典：Analog Devices）

MEMSセンサーの最も一般的な変換メカニズムは、容量性、ピエゾ抵抗性、圧電性、または磁気性です。 ADXL355のような加速度計は、静電容量の変化によって動きが感知され、読み出し回路を介して電圧または電流出力に変換されるという点で、容量性変換メカニズムを利用しています。 ADXL355は、シリコンダイ上の3軸センサーすべてに静電容量変換メカニズムを利用していますが、X / YセンサーとZセンサーには、2つの根本的に異なる静電容量センシングアーキテクチャがあります。 X / Yセンサーは、差動面内フィンガーに基づいていますが、Zセンサーは、図1に示すように、面外の平行平板静電容量センサーです。

センサーに圧縮応力または引張応力がある場合、MEMSダイは反ります。プルーフマスはバネで基板上に吊り下げられているため、基板と連動して反ることはなく、マスと基板の隙間が変化します。 X / Yセンサーの場合、面内変位が指の静電容量の変化に最大の影響を与えるため、ギャップは静電容量感度の方向にはありません。これは、フリンジ電界の補償効果によるものです。ただし、Zセンサーの場合、基板とプルーフマスの間のギャップは実際にはセンスギャップです。したがって、Zセンサーの検出ギャップを効果的に変更するため、Zセンサーに直接影響します。もう1つの悪化する影響は、Zセンサーがダイの中央に配置され、ダイにかかる特定の応力に対して反りが最大化されることです。

ほとんどのアプリケーションでは、z軸の熱伝達の非対称性により、物理的ストレスに加えて、z軸センサー全体の温度勾配が一般的です。一般的なアプリケーションでは、センサーはプリント回路基板（PCB）にはんだ付けされ、システム全体がパッケージ内にあります。 XおよびYの熱伝達は、パッケージの周囲にあるはんだ接合部を介して対称であるPCBへの伝導によって支配されます。ただし、z方​​向では、熱が空気中を移動してパッケージから出るときに、はんだとダイ上部の対流による下部の伝導による熱伝達が行われます。この不一致により、z軸全体に温度勾配の差が残ります。物理的な圧縮/引張応力と同様に、これにより、加速によって誘発されないz軸のオフセットが生成されます。

このシリーズの次の記事では、ベースラインパフォーマンスを確立し、後続のデータ分析で予想されるノイズレベルの種類を検証するために、適切な開始データセットを取得する方法を確認します。

参考資料

^ [1]クリス・マーフィー。 「アプリケーションに最適なMEM加速度計の選択—パート1」 Analog Dialogue、Vol。 51、No。4、2017年10月。

^ [2]クリス・マーフィー。 「加速度計の傾きは、温度と振動の存在下で測定されます。」アナログダイアログ、2017年8月。