Améliorer la précision à long terme des accéléromètres MEMS 3 axes : conseils de conception et de stabilité

Dans les deux premières parties de notre série, nous avons disséqué l'architecture interne d'un accéléromètre MEMS 3 axes haute précision et montré comment collecter un jeu de données de référence robuste capturant le plancher de bruit intrinsèque du capteur. Dans cette dernière partie, nous examinons les facteurs environnementaux et mécaniques subtils qui peuvent éroder la répétabilité à long terme, et nous présentons des directives de conception concrètes qui aident les ingénieurs à maintenir les performances serrées sur des années d'exploitation.

Une fois les contraintes thermiques comprises, l'aspect critique suivant est la stabilité à long terme ou la répétabilité. La répétabilité mesure à quel point des lectures successives concordent sous des conditions identiques sur une période prolongée. Par exemple, deux mesures du champ de gravité effectuées avec le capteur dans la même orientation, à la même température, et après des mois d'utilisation seront comparées pour évaluer la dérive. La répétabilité du décalage et de la sensibilité est essentielle pour les applications qui ne peuvent pas compter sur un recalibrage fréquent. De nombreux fabricants ne publient pas de données à long terme, mais la fiche technique de l'ADXL355 d'Analog Devices le fait, fournissant des chiffres de répétabilité pour une durée de vie de 10 ans incorporant des tests de vie à haute température (HTOL) à 150 °C, alimentation 3,6 V, 1 000 h ; cyclage thermique entre –55 °C et +125 °C sur 1 000 cycles ; marche aléatoire de vitesse ; bruit à large bande ; et hystérésis thermique. La répétabilité rapportée est de ±2 mg pour X/Y et ±3 mg pour Z, illustrant la performance à long terme du capteur.

Lorsqu'il fonctionne sous des conditions mécaniques, environnementales et inertielles stables, la répétabilité suit une loi en racine carrée par rapport au temps. Par exemple, pour prédire la répétabilité du décalage de l'axe X sur 2,5 ans, le calcul est :

±2 mg × √(2,5 ans / 10 ans) = ±1 mg

La Figure 1 démontre cette relation en utilisant les données HTOL : 32 dispositifs montrent une dérive de décalage 0 g sur 23 jours. Le graphique illustre clairement la dépendance en racine carrée, bien que les pièces individuelles varient en raison des différences de processus de fabrication.

Figure 1. Stabilité à long terme 500 heures de l'ADXL355. (Source : Analog Devices)

Recommandations de conception du système mécanique

Les interfaces de montage mécanique et la conception du boîtier influencent significativement la performance globale d'un accéléromètre MEMS en transmettant des contraintes physiques au capteur. Le capteur, le PCB et le boîtier forment un système d'ordre supérieur qui peut se comporter comme une structure résonnante ou suramortie. Comprendre la fréquence de résonance et le facteur de qualité du système de montage permet aux ingénieurs de minimiser l'amplification vibratoire ou l'amortissement excessif dans la bande passante du capteur.

PCB, montage et boîtier

• Fixez solidement le PCB à un substrat rigide en utilisant plusieurs vis de montage combinées avec un adhésif au dos pour un support optimal.
• Placez le capteur le plus près possible d'un point de montage. Pour les grands PCB, utilisez des vis supplémentaires au centre de la carte pour supprimer le flex basse fréquence qui pourrait être détecté comme accélération.
• Si la carte n'est supportée que par une rainure ou une languette, utilisez une épaisseur supérieure à 2 mm. Les grandes cartes bénéficient d'une épaisseur accrue pour maintenir la rigidité. L'analyse par éléments finis (ex. ANSYS) peut identifier la géométrie et l'épaisseur optimales pour un agencement spécifique.
• Pour la surveillance de santé structurelle ou d'autres applications à long terme, sélectionnez des matériaux d'emballage, PCB et adhésifs qui résistent aux changements de propriétés mécaniques dans le temps pour éviter les contraintes ajoutées et la dérive de décalage.
• N'assumez jamais la fréquence naturelle du boîtier. Effectuez des calculs de modes de forme pour les géométries simples ou une analyse par éléments finis complète pour les boîtiers complexes.
• Les contraintes thermiques du brasage peuvent décaler les offsets de plusieurs mg. Des motifs d'atterrissage symétriques, des pads thermiques et des chemins de conduction en cuivre aident à répartir la chaleur uniformément. Suivez le guide de brasage de l'accéléromètre, et envisagez un recuit de soudure ou un cyclage thermique de pré-calibrage pour soulager les contraintes.

Composés de potting

Le potting est courant pour sceller l'électronique, mais il peut imposer un désaccord de coefficient thermique sur le capteur si le matériau de potting diffère du boîtier. Pour les surmoulages LGA (land-grid-array), le potting est déconseillé. Un boîtier céramique hermétiquement scellé offre une protection robuste contre le désaccord thermique. Cependant, le potting peut encore générer des contraintes à long terme dues à la dégradation des matériaux, causant une déformation subtile qui fatigue la puce. Dans les applications haute stabilité, évitez le potting et envisagez des revêtements conformes à faible contrainte tels que le parylene-C pour fournir une barrière d'humidité sans compromettre l'intégrité mécanique.

Flux d'air, transfert de chaleur et équilibre thermique

Une performance optimale du capteur exige une gestion thermique soignée :

• Positionnez le capteur de sorte que les gradients thermiques à travers sa puce soient minimaux. Par exemple, évitez de le placer près de composants générateurs de chaleur comme les régulateurs linéaires, qui peuvent créer des profils de température variables au fur et à mesure que la charge change.
• Lorsque possible, placez le module loin des sources de flux d'air (ex. conduits CVC) pour réduire les fluctuations rapides de température. Si inévitable, utilisez une isolation thermique – soit à l'extérieur, soit à l'intérieur du boîtier – en ajoutant de l'isolation. Les chemins conductifs et convectifs doivent être considérés.
• Choisissez stratégiquement la masse thermique du boîtier. Une masse plus grande peut amortir les variations de température environnementales, ce qui est particulièrement utile dans les applications avec cyclage thermique inévitable.

Conclusion

Négliger les effets environnementaux et mécaniques peut dégrader silencieusement la performance d'un accéléromètre MEMS haute précision. En adoptant une approche de conception holistique au niveau système – montage soigneux, sélection judicieuse du boîtier, potting contrôlé et gestion thermique réfléchie – les ingénieurs peuvent préserver la précision du capteur sur de longues périodes. Tout comme un système bien conçu tolère le stress, nos pratiques d'ingénierie peuvent endurer les défis de l'opération réelle.

Références

• Chris Murphy. « Choosing the Most Suitable MEMs Accelerometer for Your Application—Part 1. » Analog Dialogue, Vol. 51, No. 4, October 2017.
• Chris Murphy. « Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration. » Analog Dialogue, August 2017.
• SDP‑K1 evaluation system. Analog Devices, Inc.
• Mbed: User Guide for SDP‑K1. Analog Devices, Inc.
• PanaVise articulated arm mount. PanaVise.
• Mbed code. Analog Devices, Inc.
• Weller 6966C heating/cooling air gun. Weller.
• Parylene. Wikipedia.