高精度チルトセンシングの最適化: 加速度センサの基礎

加速度センサは、重力に対する静的姿勢から、橋梁の初期破壊のような微細な動的運動まで検出する、現代の位置決めおよび監視システムの基盤です。スマートフォンの画面回転に使われる低コストセンサから、軍用車両や宇宙船を誘導する輸出管理対象のタクティカルグレードまで、実験室での性能が、予測不能な環境ストレスと温度ストレスの中での信頼性ある現場動作に直結しなければなりません。

高精度チルトシステムでは、キャリブレーションが通常サブ度精度を目標とします。ADXL354やADXL355のような市場最高レベルの超低ノイズデバイスを活用すれば、オフセット、温度ドリフト、振動整流、クロス軸感度といった観測可能な誤差源を適切にキャリブレーションすることで、0.005°というチルト精度が達成可能です。しかし、センサにかかるストレスは最大20 mgのオフセットを生じさせ、1°を超えるチルト誤差につながるため、入念なストレス軽減の重要性が浮き彫りになります。

本シリーズでは、MEMS加速度センサを用いた高精度角度/チルトセンシングシステムの性能指標を探ります。第1回となる本稿では、センサの微細設計を解剖し、ミクロンレベルの応力と歪みが精度にどう影響するかを明らかにします。続く記事では、機械的・物理的設計が見落とされた際に生じる意外な故障モードを検証し、最も要求の厳しいアプリケーションで性能を最大化するための設計者向け実践戦略で締めくくります。

センサ設計の基礎

MEMS加速度センサは、コンシューマーガジェットから軍用グレードまで幅広いスペクトルにわたります。最高性能の低ノイズバリエントは、精密チルトセンシング、地震イメージング、ロボティクス、プラットフォーム安定化を可能にします。こうしたアプリケーションの鍵となる属性は、卓越したノイズ性能、最小オフセット、高い再現性、低温度ドリフト、および振動整流やクロス軸感度といった無視できない二次効果が無視できるレベルにあることです。

3軸MEMS加速度センサが各軸で異なる振る舞いをする理由を理解するには、その内部アーキテクチャを調べるのが有益です。図1はADXL355のばね-質量系を示しています。プルーフマスが加速度で動き、その変位が変換機構で検出されます。X/Y軸は差動面内容量フィンガーを採用し、Z軸は面外平行板コンデンサを使用します。

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図1. アナログ・デバイセズ製3軸ADXL355のセンサアーキテクチャ。X/Yプルーフマスが横方向に動き、固定フィンガーと可動フィンガー間の容量が変化。Z軸は面外運動を平行板コンデンサで検出。

圧縮または引張応力でダイが反ると、吊り下げられたプルーフマスは基板に追従しません。これによりマスと基板のギャップが変化します。X/Yセンサでは面内ギャップがフリンジフィールドでほぼ補償されるため影響は控えめです。しかしZセンサはこのギャップに直接依存するため、反りがZ読み取り値に直接オフセットを生じさせます。Zセンサがダイ中央に位置することで、反りの影響をさらに受けやすくなっています。

Z軸方向の温度勾配も一般的で、非対称な熱伝達(底面の半田伝導 vs 天面の対流)に起因します。この残留差動温度は加速度とは無関係なオフセットをもたらし、未補正ならチルト精度をさらに損ないます。

次回の記事では、堅牢なベースラインデータセットの取得方法、期待ノイズレベルの検証、高度なキャリブレーション技術への布石について解説します。

参考文献

[1] Chris Murphy. "Choosing the Most Suitable MEMs Accelerometer for Your Application—Part 1." Analog Dialogue, Vol. 51, No. 4, October 2017.

[2] Chris Murphy. "Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration." Analog Dialogue, August 2017.