加速度計 (accelerometer) 測量加速度的儀表。加速度測量是工程技術(shù)提出的重要課題。當(dāng)物體具有很大的加速度時，物體及其所載的儀器設(shè)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(dǎo)航(見陀螺平臺慣性導(dǎo)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(biāo)信號，而三個坐標(biāo)方向的儀器測量結(jié)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(dāng)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(shè)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(yīng)來測量加速度。當(dāng)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(yīng)速度，適用于一些高速運動的設(shè)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(yīng)原理來測量加速度。其原理與速度傳感器類似，當(dāng)一個線圈相對于另一個線圈運動時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過測量感應(yīng)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(yīng)速度，適用于一些高速運動的設(shè)備或沖擊波的測量。

?光學(xué)式加速度計?：這種加速度計利用光學(xué)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(xué)式加速度計具有較高的測量精度和響應(yīng)速度，適用于一些高速運動的設(shè)備或沖擊波的測量。

不同類型的加速度計在應(yīng)用場景上也有所不同。例如，機械式加速度計適用于大型設(shè)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(shè)備或沖擊波的測量。

一旦充分了解設(shè)計中的熱應(yīng)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(fù)性。重復(fù)性定義為長時間內(nèi)在相同條件下連續(xù)測量的準(zhǔn)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(zhǔn)的應(yīng)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(fù)性至關(guān)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(yù)測 10 年壽命的可重復(fù)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(fù)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(fù)性遵循與測量時間相關(guān)的平方根定律。例如，要獲得 x 軸 2.5 年的偏移重復(fù)性(終產(chǎn)品的任務(wù)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(jié)果示例。在此圖中可以清楚地觀察到平方根定律。還應(yīng)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(xì)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(dāng)您傾斜手機顯示屏?xí)r，可以改變顯示屏方向的手機應(yīng)用器件，也包括受出口管制，可以幫助軍用車輛或航天器導(dǎo)航的戰(zhàn)術(shù)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(yīng)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(dāng)加速度計在其生命周期中承受了前所未有的應(yīng)力時，系統(tǒng)會做出反應(yīng)并可能因這些應(yīng)力的影響而發(fā)生故障。

高精度傾斜檢測系統(tǒng)在校準(zhǔn)之后，傾斜精度一般可以優(yōu)于1°。使用市場領(lǐng)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(zhǔn)，其傾斜精度可以達(dá)到0.005°。2但是，只有在適當(dāng)減輕應(yīng)力的情況下才能達(dá)到這種精度水平。例如，傳感器承受的壓縮/拉應(yīng)力可能導(dǎo)致其出現(xiàn)高達(dá)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(biāo)。我們首先從微觀角度分析傳感器設(shè)計，以便更好地了解微米級別應(yīng)力和應(yīng)變的影響。分析表明，如果不遵循整體的機械和物理設(shè)計方法，則會出現(xiàn)一些令人驚訝的結(jié)果。最后，為設(shè)計人員介紹了有助于在要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中充分提升性能的切實可行的步驟。

ADXL35x傳感器設(shè)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(yīng)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(yīng)用，以及機器人和平臺穩(wěn)定等許多新興應(yīng)用。ADXL355具備市場領(lǐng)先的特性，使其在高精度傾斜/角度檢測應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢，例如出色的噪聲、偏移、重復(fù)性和與溫度相關(guān)的偏移，以及振動校正和跨軸靈敏度等二階效應(yīng)。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(xì)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(shè)計考量，我們首先來回顧傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，闡明三軸對環(huán)境參數(shù)(例如，平面外應(yīng)力)做出不同響應(yīng)的原因。在許多情況下，這種平面外應(yīng)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(gòu)。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(yīng)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(dǎo)機制進行檢測。MEMS傳感器采用的最常見的傳導(dǎo)機制包括電容式、壓阻式、壓電式或磁性。ADXL355采用電容傳導(dǎo)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(dǎo)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(gòu)。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(yīng)力或拉應(yīng)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(dǎo)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(yīng)力，該位置都會產(chǎn)生最大程度翹曲。

除了物理應(yīng)力之外，由于在大多數(shù)應(yīng)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(yīng)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(dǎo)，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(yīng)力一樣，這會使z軸上出現(xiàn)并非由加速度導(dǎo)致的偏移。

受環(huán)境應(yīng)力影響的數(shù)據(jù)評述

圖7顯示了關(guān)閉熱風(fēng)槍之后，呈現(xiàn)的相反的極性效應(yīng)。

圖7.在t = 240秒關(guān)閉熱風(fēng)槍時，ADXL355受到的熱沖擊。

在加熱環(huán)境中使用熱風(fēng)槍時，這種效果更加明顯;即溫度沖擊的幅度更大時。Weller熱風(fēng)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(fēng)槍在距離ADXL355大約15 cm的位置吹出熱風(fēng)，導(dǎo)致溫度立即升高大約40°C，如圖8所示。

圖8.使用熱風(fēng)槍時，ADXL355受到的熱沖擊。

盡管熱沖擊的強度相當(dāng)大，但在本次實驗期間，仍然可以明顯看到，z軸的反應(yīng)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(dāng)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(dǎo)致的偏移不同。這是由傳感器上的溫差熱應(yīng)力/應(yīng)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(yīng)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(jié)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(cè)所示的情況，讓器件在120°C下保溫15分鐘會怎么樣。當(dāng)設(shè)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(yīng)力有關(guān)，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(yīng)力隨之降低。圖6到圖8所示的熱風(fēng)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(xué)影響，升溫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)性遵循平方根定律，因為它與測量的時間有關(guān)。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(fù)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(jié)果：偏移為0 g。在此圖中可以清楚地看到平方根定律。還應(yīng)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(dá)500小時的長期穩(wěn)定性。

機械系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(yīng)力。一般來說，機械安裝、外殼和傳感器會構(gòu)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(yīng)。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(biāo)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(yīng)該能夠避免在ADXL355應(yīng)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(shè)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(yīng)用，例如對傳感器實施長時間測量的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用，傳感器的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要。在選擇封裝、PCB和粘膠材料時，應(yīng)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(yīng)力，進而導(dǎo)致出現(xiàn)偏移。

避免對外殼的固有頻率進行假設(shè)。對簡單的外殼實施固有振動模型計算，對復(fù)雜的外殼設(shè)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(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)高達(dá)幾mg的偏移。為了減輕這種影響，建議PCB焊盤圖案、導(dǎo)熱片和銅走線導(dǎo)熱路徑采用對稱布局。嚴(yán)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(zhǔn)前實施焊料退火或熱循環(huán)可以幫助緩解應(yīng)力累積和幫助管理長期穩(wěn)定性問題。

常見加速度計的構(gòu)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(xì)桿與殼體固連，加速度引起的動載荷使桿變形，用應(yīng)變電阻絲感應(yīng)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。