加速度計 (accelerometer) 測量加速度的儀表。加速度測量是工程技術提出的重要課題。當物體具有很大的加速度時，物體及其所載的儀器設備和其他無相對加速度的物體均受到能產(chǎn)生同樣大的加速度的力，即受到動載荷。欲知動載荷就要測出加速度。其次，要知道各瞬時飛機、火箭和艦艇所在的空間位置，可通過慣性導航(見陀螺平臺慣性導航系統(tǒng))連續(xù)地測出其加速度，然后經(jīng)過積分運算得到速度分量，再次積分得到一個方向的位置坐標信號，而三個坐標方向的儀器測量結果就綜合出運動曲線并給出每瞬時航行器所在的空間位置。再如某些控制系統(tǒng)中，常需要加速度信號作為產(chǎn)生控制作用所需的信息的一部分，這里也出現(xiàn)連續(xù)地測量加速度的問題。能連續(xù)地給出加速度信號的裝置稱為加速度傳感器。

?加速度計的基本原理基于牛頓第二定律，即物體的加速度與作用力成正比，與質(zhì)量成反比。?加速度計通過測量作用力或質(zhì)量的變化來測量加速度。根據(jù)測量原理，加速度計可以分為以下幾類：?

?機械式加速度計?：這種加速度計利用彈簧和慣性質(zhì)量塊來測量加速度。當加速度作用在慣性質(zhì)量塊上時，質(zhì)量塊會產(chǎn)生位移，從而改變彈簧的伸長量。通過測量彈簧的伸長量可以計算出加速度的大小。機械式加速度計具有較高的測量精度和穩(wěn)定性，但體積較大，適用于一些大型設備的振動監(jiān)測。

?壓電式加速度計?：這種加速度計利用壓電材料的壓電效應來測量加速度。當加速度作用在壓電材料上時，材料會產(chǎn)生電荷，通過測量電荷量可以計算出加速度的大小。壓電式加速度計具有較高的測量精度和響應速度，適用于一些高速運動的設備或沖擊波的測量。

?電磁式加速度計?：這種加速度計利用電磁感應原理來測量加速度。其原理與速度傳感器類似，當一個線圈相對于另一個線圈運動時，會產(chǎn)生感應電動勢，通過測量感應電動勢的大小可以計算出加速度的大小。電磁式加速度計具有較高的測量精度和響應速度，適用于一些高速運動的設備或沖擊波的測量。

?光學式加速度計?：這種加速度計利用光學干涉原理來測量加速度。其原理是將一束光分成兩束，分別通過不同的路徑后重新組合，通過測量干涉條紋的變化可以計算出加速度的大小。光學式加速度計具有較高的測量精度和響應速度，適用于一些高速運動的設備或沖擊波的測量。

不同類型的加速度計在應用場景上也有所不同。例如，機械式加速度計適用于大型設備的振動監(jiān)測，而壓電式和電磁式加速度計則適用于高速運動的設備或沖擊波的測量。

一旦充分了解設計中的熱應力，慣性傳感器的另一個重要方面就是它們的長期穩(wěn)定性或可重復性。重復性定義為長時間內(nèi)在相同條件下連續(xù)測量的準確度。例如，在較長時間內(nèi)在相同溫度下以相同方向?qū)χ亓鲞M行兩次測量，并查看它們的匹配程度。在無法進行定期維護校準的應用中評估傳感器的長期穩(wěn)定性時，偏移和靈敏度的可重復性至關重要。許多傳感器制造商并未在其數(shù)據(jù)表中描述或指定長期穩(wěn)定性。以ADI公司的ADXL355數(shù)據(jù)手冊為例，預測 10 年壽命的可重復性，包括由于高溫工作壽命測試 (HTOL)(TA = 150°C，VSUPPLY = 3.6 V 和 1000 小時)、測量的溫度循環(huán)(?55°C 至 + 125°C 和 1000 個周期)、速度隨機游走、寬帶噪聲和溫度滯后。數(shù)據(jù)表中顯示的重復性為 ±2 m對于 X/Y 和 Z 傳感器，分別為g和 ±3 m g。這些測量對于評估長期性能很重要。

穩(wěn)定的機械、環(huán)境和慣性條件下的可重復性遵循與測量時間相關的平方根定律。例如，要獲得 x 軸 2.5 年的偏移重復性(終產(chǎn)品的任務概況可能更短)，請使用以下等式：±2 m g × √ ( 2.5 年/10 年)= ±1 m g . 圖 1 顯示了 23 天內(nèi) 32 個器件的 0 g偏移漂移的 HTOL 測試結果示例。在此圖中可以清楚地觀察到平方根定律。還應強調(diào)的是，由于 MEMS 傳感器制造過程中的工藝差異，每個部分的行為都不同——有些表現(xiàn)優(yōu)于其他部分。

簡介

加速度計是一種非常不錯的傳感器，可以檢測到開始傾塌的大橋在重力作用下，呈現(xiàn)細微的方向變化時的靜態(tài)和動態(tài)加速度。這些傳感器包括當您傾斜手機顯示屏時，可以改變顯示屏方向的手機應用器件，也包括受出口管制，可以幫助軍用車輛或航天器導航的戰(zhàn)術級器件。1但是，與大多數(shù)傳感器一樣，該傳感器在實驗室或試驗臺上表現(xiàn)出色是一回事，面對荒涼、不受控制的環(huán)境條件和溫度應力時要保持同等的系統(tǒng)級性能，則完全是另一回事了。像人類一樣，當加速度計在其生命周期中承受了前所未有的應力時，系統(tǒng)會做出反應并可能因這些應力的影響而發(fā)生故障。

高精度傾斜檢測系統(tǒng)在校準之后，傾斜精度一般可以優(yōu)于1°。使用市場領先的超低噪聲和高度穩(wěn)定的加速度計，例如ADXL354或ADXL355，通過對可觀測到的誤差源進行校準，其傾斜精度可以達到0.005°。2但是，只有在適當減輕應力的情況下才能達到這種精度水平。例如，傳感器承受的壓縮/拉應力可能導致其出現(xiàn)高達20 mg的偏移，使得傾斜誤差超過1°。

本文探討采用加速度計的高精度角度/傾斜檢測系統(tǒng)的性能指標。我們首先從微觀角度分析傳感器設計，以便更好地了解微米級別應力和應變的影響。分析表明，如果不遵循整體的機械和物理設計方法，則會出現(xiàn)一些令人驚訝的結果。最后，為設計人員介紹了有助于在要求嚴苛的應用中充分提升性能的切實可行的步驟。

ADXL35x傳感器設計

從價格和性能角度來看，基于MEMS的加速度計適用于從消費類產(chǎn)品到軍用檢測的各類應用。在ADI產(chǎn)品組合中，性能最出色的低噪聲加速度計是ADXL354和ADXL355，支持精密傾斜檢測、地震成像等應用，以及機器人和平臺穩(wěn)定等許多新興應用。ADXL355具備市場領先的特性，使其在高精度傾斜/角度檢測應用中具有獨特的優(yōu)勢，例如出色的噪聲、偏移、重復性和與溫度相關的偏移，以及振動校正和跨軸靈敏度等二階效應。本文將以這種特定的傳感器作為高精度加速度計的示例來詳細探討;但是，本節(jié)中討論的原理適用于絕大多數(shù)三軸MEMS加速度計。

為了更好地理解促使ADXL355實現(xiàn)出色性能的設計考量，我們首先來回顧傳感器的內(nèi)部結構，闡明三軸對環(huán)境參數(shù)(例如，平面外應力)做出不同響應的原因。在許多情況下，這種平面外應力都是由傳感器z軸上的溫度梯度引起的。

圖1.ADXL355的傳感器架構。對于X/Y傳感器，隨著檢測質(zhì)量塊的移動，固定指與質(zhì)量塊所連接的

叉指之間的電容會發(fā)生變化。z軸傳感器上的質(zhì)量不均衡，因此可以對z軸加速度進行平面外檢測。

ADXL35x系列加速度計包含一個彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，這與許多其他的MEMS加速度計類似。質(zhì)量響應外部加速度(靜態(tài)加速度(如重力)或動態(tài)加速度(如速度變化))而移動，其物理位移通過傳導機制進行檢測。MEMS傳感器采用的最常見的傳導機制包括電容式、壓阻式、壓電式或磁性。ADXL355采用電容傳導機制，通過電容變化來檢測移動，而電容變化通過讀取電路可轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。雖然ADXL355對硅芯片上的所有三軸傳感器都采用了電容傳導機制，但X/Y傳感器和Z傳感器采用了兩種完全不同的電容檢測架構。X/Y傳感器均基于差分平面內(nèi)叉指，而Z傳感器是平面外平行板電容傳感器，如圖1所示。

如果傳感器上存在壓縮應力或拉應力，MEMS芯片會翹曲。由于檢測質(zhì)量塊通過彈簧懸掛在襯底上方，所以不會和襯底一起翹曲，但質(zhì)量塊和襯底之間的間隙會發(fā)生變化。對于X/Y傳感器，由于平面內(nèi)位移對叉指電容變化的影響最大，所以間隙不在電容靈敏度這個方向，這是由邊緣電場的補償作用導致的。但是，對于Z傳感器，襯底和檢測質(zhì)量塊之間的間隙實際上是檢測間隙。所以，它會對Z傳感器產(chǎn)生直接影響，因為它有效改變了Z傳感器的檢測間隙。此外，Z傳感器位于芯片中央，只要芯片受到任何應力，該位置都會產(chǎn)生最大程度翹曲。

除了物理應力之外，由于在大多數(shù)應用中，z軸上的熱傳遞都不對稱，所以z軸傳感器上經(jīng)常存在溫度梯度。在典型應用中，傳感器焊接在印刷電路板(PCB)上，而且整個系統(tǒng)都在封裝內(nèi)。X和Y軸的熱傳遞主要通過封裝周邊的焊點來傳遞，并傳遞到對稱的PCB上。但是，在z方向，由于芯片頂部存在焊點和對流，所以熱傳遞通過底部傳導，熱量會通過空氣傳遞到封裝外。由于這種不匹配，z軸上會出現(xiàn)殘余的溫差梯度。與物理壓縮/拉應力一樣，這會使z軸上出現(xiàn)并非由加速度導致的偏移。

受環(huán)境應力影響的數(shù)據(jù)評述

圖7顯示了關閉熱風槍之后，呈現(xiàn)的相反的極性效應。

圖7.在t = 240秒關閉熱風槍時，ADXL355受到的熱沖擊。

在加熱環(huán)境中使用熱風槍時，這種效果更加明顯;即溫度沖擊的幅度更大時。Weller熱風槍的輸出溫度約為400℃，所以在使用時，需間隔一段距離，以免因為過熱或熱沖擊造成損壞。在本次測試中，熱風槍在距離ADXL355大約15 cm的位置吹出熱風，導致溫度立即升高大約40°C，如圖8所示。

圖8.使用熱風槍時，ADXL355受到的熱沖擊。

盡管熱沖擊的強度相當大，但在本次實驗期間，仍然可以明顯看到，z軸的反應速度要比x軸和y軸快得多。使用數(shù)據(jù)手冊中的偏移溫度系數(shù)，當溫度發(fā)生40℃偏移時，將會看到約100 μg/°C × 40 °C = 4 mg的偏移，x軸和y軸最終會顯示這一點。但是，我們發(fā)現(xiàn)，z軸上幾乎立刻出現(xiàn)10 mg偏移，說明這種影響與溫度導致的偏移不同。這是由傳感器上的溫差熱應力/應變造成的，在z軸上表現(xiàn)得最明顯，這是因為，如前文所述，相比x和y軸，z軸上的傳感器對溫差應力更敏感。

在數(shù)據(jù)手冊中，ADXL355的典型偏移溫度系數(shù)(失調(diào)溫度系數(shù))為±100 μg/°C。我們需要理解此處所用的測試方法，這非常重要，因為失調(diào)溫度系數(shù)是在烤箱中使用加速度計進行測量的。在傳感器的溫度范圍內(nèi)，烤箱溫度慢慢上升，我們測量偏移的斜度。典型示例如圖9所示。

圖9.ADXL355在烤箱中進行測試的溫度特性。

圖中顯示了兩種影響。一種是數(shù)據(jù)手冊中描述和記錄的失調(diào)溫度系數(shù)。這是烤箱以5°C/min的速度升溫，但不保溫的情況下，在–45°C到+120°C溫度范圍內(nèi)許多產(chǎn)品的平均值。從與圖9類似的圖表中可以得出此結果，且可以指出在高于165°C時為18 mg，或約109 μg/°C，稍微超出100 μg/°C典型值的范圍，但仍在數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的最小值和最大值范圍內(nèi)。但是，考慮一下圖9右側所示的情況，讓器件在120°C下保溫15分鐘會怎么樣。當設備處于高溫下時，實際的偏移量下降并改善。在這種情況下，平均值在高于165°C時接近10 mg，或失調(diào)溫度系數(shù)約為60 μg/°C。產(chǎn)生的第二種影響與溫差熱應力有關，傳感器檢測質(zhì)量塊在整個硅芯片器件的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定下來后，應力隨之降低。圖6到圖8所示的熱風槍測試也顯示了這種影響，與數(shù)據(jù)手冊中列出的長期失調(diào)溫度系數(shù)相比，這種影響會在更短的時間量程內(nèi)顯現(xiàn)，了解這一點非常重要。對于因受總體的熱動力學影響，升溫速度遠遠慢于5°C/min的許多系統(tǒng)而言，上述發(fā)現(xiàn)很有價值。

在穩(wěn)定的機械、環(huán)境和慣性條件下，可重復性遵循平方根定律，因為它與測量的時間有關。例如，要獲得x軸在兩年半的時間里(對于最終產(chǎn)品來說，可能是很短的一段時間)的偏移可重復性，可以使用以下公式計算：±2 mg × √(2.5年/10年) = ±1 mg。圖10顯示在23天內(nèi)，32個器件的HTOL測試結果：偏移為0 g。在此圖中可以清楚地看到平方根定律。還應該強調(diào)的是，由于MEMS傳感器制造過程中的工藝差異，每個器件的性能都不同，有些器件的性能優(yōu)于其他器件。

圖10.ADXL355長達500小時的長期穩(wěn)定性。

機械系統(tǒng)設計建議

經(jīng)過上述分析探討，很明顯可以看出，機械安裝表面和外殼設計可以幫助提升ADXL355傳感器的總體性能，因為它們會影響傳遞給傳感器的物理應力。一般來說，機械安裝、外殼和傳感器會構成一個二階(或更高階)系統(tǒng);因此，在諧振或過阻尼期間，它會做出不同的響應。機械支持系統(tǒng)具有代表這些二階系統(tǒng)的模式(由諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)定義)。在大多數(shù)情況下，我們的目標是了解這些因素，并盡量減少它們對傳感系統(tǒng)的影響。因此，選擇的傳感器的封裝外形、所有接口和材料都應該能夠避免在ADXL355應用的帶寬內(nèi)造成機械衰減(因為過阻尼)或放大(因為諧振)。本文對這些具體的設計考量因素不予過多探討;但是，會簡要列出一些實用項：

PCB、安裝和外殼

對于一些應用，例如對傳感器實施長時間測量的結構健康監(jiān)測應用，傳感器的長期穩(wěn)定性至關重要。在選擇封裝、PCB和粘膠材料時，應選擇在長時間內(nèi)性能下降或機械特性變化最小的產(chǎn)品，以免給傳感器帶來額外的應力，進而導致出現(xiàn)偏移。

避免對外殼的固有頻率進行假設。對簡單的外殼實施固有振動模型計算，對復雜的外殼設計實施有限元分析，將會很有幫助。

將ADXL355和電路板焊接在一起會產(chǎn)生應力，導致出現(xiàn)高達幾mg的偏移。為了減輕這種影響，建議PCB焊盤圖案、導熱片和銅走線導熱路徑采用對稱布局。嚴格遵守ADXL355數(shù)據(jù)手冊中提供的焊接指南。我們還發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，在校準前實施焊料退火或熱循環(huán)可以幫助緩解應力累積和幫助管理長期穩(wěn)定性問題。

常見加速度計的構件如下：外殼(與被測物體固連)、參考質(zhì)量，敏感元件、信號輸出器等。加速度計要求有一定量程和精確度、敏感性等，這些要求在某種程度上往往是矛盾的。以不同原理為依據(jù)的加速度計，其量程不同(從幾個g到幾十萬個g)，它們對突變加速度頻率的敏感性也各不相同。常見的加速度計所依據(jù)的原理有：①參考質(zhì)量由彈簧與殼體相連(見圖)，它和殼體的相對位移反映出加速度分量的大小，這個信號通過電位器以電壓量輸出;②參考質(zhì)量由彈性細桿與殼體固連，加速度引起的動載荷使桿變形，用應變電阻絲感應變形的大小，其輸出量是正比于加速度分盤大小的電信號;③參考質(zhì)量通過壓電元件與殼體固連，質(zhì)量的動載荷對壓電元件產(chǎn)生壓力，壓電元件輸出與壓力即加速度分量成比例的電信號：④參考質(zhì)量由彈簧與殼體連接，放在線圈內(nèi)部，反映加速度分量大小的位移改變線圈的電感，從而輸出與加速度成正比的電信號。此外，尚有伺服類型的加速度計，其中引入一個反饋回路，以提高測量的精度。為了測出在平面或空間的加速度矢量，需要兩個或三個加速度計，各測量一個加速度分量。