Cómo diseñar un soporte de PCB personalizado: consideraciones mecánicas para un sistema de sensor de alta precisión

Cuando se trabaja con sensores de alta precisión, es crucial considerar la carcasa. En este artículo, discutimos las consideraciones de diseño mecánico en juego en un diseño de tablero personalizado para un subsistema de inclinómetro.

Hay muchas consideraciones para el diseño mecánico al diseñar un sistema con un alto nivel de precisión. Recientemente, diseñé una PCB personalizada basada en inclinómetro con tanta precisión que necesito diseñar una carcasa pesada y estable para proteger la integridad de los datos que recopila.

Como mencioné en mi resumen del subsistema de inclinómetro, el proyecto general debería permitir una resolución de 0.001 °, lo que significa que el sensor lo detectará si la placa se mueve incluso 1 µm. Esto significa que tendrá que recalibrar digitalmente el tablero cada vez que se ajusta en su soporte. Para facilitar las cosas, decidí fijar mi tarjeta a un soporte por menos necesidad de recalibración digital constante.

En la imagen superior se muestra la tabla ensamblada que se mantiene en el dispositivo de prueba de aluminio durante la prueba preliminar.

Consulte los enlaces a continuación para obtener más información sobre la serie de proyectos de inclinómetros de precisión. Este artículo se refiere específicamente al artículo de diseño de PCB.

Ajuste manual de la placa con tornillos de accionamiento diferencial

Como soy Mark "Hard-way" Hughes, decidí agregar un sistema de ajuste manual. En un extremo del soporte, elegí un mecanismo de tornillo de accionamiento diferencial. Por otro lado, agregué dos tuercas de bellota pulidas M3 adicionales en el extremo opuesto del soporte de la tabla. Estos dos pies no ajustables se atornillan a la parte inferior del tablero y se convierten en un punto de pivote opuesto al tornillo diferencial. Además, esta disposición permite una cierta cantidad de ajuste para probar el proyecto.

Un renderizado en despiece del soporte de PCB, pines de alineación, PCB y abrazaderas de PCB

Los mecanismos de tornillo diferencial tienen dos hilos de paso ligeramente diferente que giran simultáneamente alrededor de un eje central. Están dispuestos de manera que a medida que avanza un tornillo, el otro se retira. El resultado es un tornillo compuesto cuyo paso efectivo es la diferencia del paso de los dos tornillos originales.

Este video muestra un tornillo diferencial genérico mientras que este video muestra el tornillo diferencial Thorlabs utilizado en este proyecto.

Un render del tornillo diferencial. El tamaño del hilo se ha exagerado en esta ilustración. Imagen de Mark Hughes

Este mecanismo de tornillo diferencial se puede ajustar de múltiples maneras. La rotación de la parte gruesa (que se muestra en azul arriba) proporciona un ajuste aproximado. La rotación de la parte fina (que se muestra en rojo arriba) proporciona un ajuste fino. La rotación de la parte central (que se muestra en verde arriba) afecta simultáneamente tanto a la rugosidad como a la fina, proporcionando un ajuste microfino (diferencial).

Si tiene acceso a la tarjeta de crédito de la empresa, su amigable maquinista local podrá fabricar mecanismos de tornillo diferencial a medida. Debido a las preocupaciones presupuestarias, me decidí por un tornillo de ajuste diferencial de 25 µm / rev fabricado por Thorlabs.

Una revolución completa del mecanismo cambia la altura del extremo del soporte de PCB en 25 µm, pero el tornillo se puede girar en cantidades más pequeñas.

En el caso de este tornillo diferencial, 1 µm corresponde a una rotación de aproximadamente 15 °. Si bien este no es un nivel ideal de ajuste, al menos está dentro del ámbito de la plausibilidad. Y, como respaldo, tengo la capacidad de calibrar el dispositivo digitalmente.

Diseño mecánico de PCB: Mitigación del calor y estrés mecánico

Incorporamos algunas consideraciones de diseño mecánico en nuestro diseño de PCB, en sí mismo.

Seis muescas de 3 mm se colocan 1 pulgada en el centro a lo largo de los bordes largos de la tabla que se acoplarán con las clavijas de indexación en el soporte de aluminio. La PCB se mantiene en su lugar mediante dos piezas de sujeción de aluminio de 3 "de largo que se sujetarán de manera suelta contra la PCB con hardware M3x0.5 o # 4-40.

En lugar de usar orificios de montaje fijos que crean puntos de tensión concentrados, este diseño permite que se aplique una pequeña cantidad de presión sobre un área grande de la placa, asegurándola y al mismo tiempo permitiendo cierto movimiento paralelo al plano de la tabla.

PCB de 4 capas amontonar mostrado anteriormente. Verde oscuro es la red de tierra. El rojo es la red de 12V. El salmón es la red 3V3. Verde claro es la red 2V5. Azul oscuro es la red 5V0 VRef.

El único componente de esta placa con consideraciones mecánicas especificadas en la hoja de datos es la referencia de voltaje U4 de 5V, el LT1027LS8 de Linear.

La hoja de datos indica que "los planos de potencia y tierra deben omitirse bajo el IC de referencia de voltaje", que es relativamente fácil de lograr con las salidas de ruta. De mayor preocupación inmediata es la directiva para “[cut slots] A través de la placa de PC en los cuatro lados. "Las ranuras deben ser lo más largas posible, y las esquinas son lo suficientemente grandes para acomodar el trazado de las trazas".

Figura 8 de ficha de datos que muestra sugerir patrones de corte de tablero para utilizar.

Esto se hace para minimizar cualquier tensión mecánica en la PCB cerca de la referencia de voltaje. Los cambios en la humedad, así como la temperatura, pueden hacer que la PCB se contraiga o se estire, lo que, a su vez, puede aplicar tensión al paquete LT1027LS8. Estos recortes propuestos reducen cualquier conducción térmica del calor de los componentes cercanos, además de proporcionar alivio de tensión mecánica.

El ancho del corte, a veces llamado "kerf", está determinado por las capacidades del fabricante de PCB, que, en mi caso, es un límite inferior de 1 mm. Elegí extender cada corte con un pequeño relieve en ángulo para extender la ranura y aislar aún más los componentes.

Podría ser posible mitigar aún más el estrés con diseños más elaborados. Si tiene algún consejo al respecto, avíseme en los comentarios a continuación, ya que no consulté con un ingeniero mecánico para este diseño.

La potencia de corte y los planos de tierra pueden ser algo peligroso durante el diseño de PCB. Todas las señales encontrarán una ruta de retorno y un plano de tierra interrumpido puede hacer que ese camino sea impredecible.

Y, de acuerdo con el paradigma "Hard-way Hughes", debo aprovechar esta oportunidad para observar que el sensor proporciona una salida radiométrica y tanto la entrada de referencia del ADC como la entrada de potencia del sensor se alimentan de la salida de esta referencia de voltaje. Ratiométrico significa que la salida se escala linealmente con el voltaje de referencia, por lo que un cambio en el nivel de referencia debería afectar la entrada y la salida por igual.

Por lo tanto, la referencia de voltaje podría desviarse sustancialmente antes de que comenzara a afectar la conversión de datos, por lo que es posible que el trabajo adicional requerido para incorporar las recomendaciones para la hoja de datos sea en gran medida innecesario para este diseño.

Lamento no haber incorporado un acumulador / seguidor de voltaje entre la referencia de voltaje y el ADC, especialmente porque tenía uno en la placa con dos canales disponibles. Tendré que probar el tablero para determinar si el diseño funciona o no aceptablemente sin él.

Una impresión artística del análisis de elementos finitos termal / estrés.

La impresión artística anterior de un análisis combinado de elementos finitos térmicos / de tensión ilustra cómo los recortes de la placa sirven para aislar mecánica y térmicamente la sección interior de la placa del calor generado por los circuitos integrados, así como algunas presiones teóricas aplicadas a los lados exteriores de la junta. Los recortes de la placa reducen las tensiones generales aplicadas al área de la placa ocupada por el IC de referencia de voltaje.

No hay interruptores de calibración en la PCB, ya que presionarlos podría perturbar la alineación de la placa. En cambio, un FFC de 20 pines de 20 pines lleva varias líneas táctiles capacitivas desde el microcontrolador a un panel de control exterior que aún no está diseñado. Los datos se tomarán de la placa a través de la interfaz USB a UART.

Resumen

Al crear circuitos analógicos de alta precisión, algunos dispositivos requieren una consideración significativa para obtener el máximo rendimiento. Aunque podría haber ignorado fácilmente las mejores prácticas u omitido algunas de las recomendaciones del fabricante en este diseño, hice todos los intentos para integrarlos con fines educativos.