作者：Paul Perrault and Mahdi Sadeghi

加速度計是奇妙的傳感器，能夠感應(yīng)靜態(tài)和動態(tài)加速度，從重力方向到橋梁開始失效的細(xì)微運動。這些傳感器的范圍從手機(jī)級設(shè)備（當(dāng)您傾斜顯示器時會改變顯示器的方向）到有助于導(dǎo)航軍用車輛或航天器的出口控制戰(zhàn)術(shù)級設(shè)備。1但是，與大多數(shù)傳感器一樣，傳感器在實驗室或臺式中表現(xiàn)良好是一回事。在面對狂野和不受控制的環(huán)境和溫度壓力時，在系統(tǒng)級別獲得這種性能是另一回事。當(dāng)加速度計像人類一樣，在其一生中經(jīng)歷前所未有的壓力時，系統(tǒng)可能會由于這些壓力的影響而做出反應(yīng)并失敗。

高精度傾斜傳感系統(tǒng)通常經(jīng)過校準(zhǔn)，以實現(xiàn)優(yōu)于 1° 的傾斜精度。利用市場領(lǐng)先的超低噪聲和高穩(wěn)定性加速度計，如ADXL354或ADXL355，通過適當(dāng)校準(zhǔn)可觀察到的誤差源，可以實現(xiàn)0.005°的傾斜精度。2然而，只有適當(dāng)減輕應(yīng)力，才能達(dá)到這種精度水平。例如，傳感器上的壓縮/拉伸應(yīng)力會導(dǎo)致高達(dá)20 mg的偏移，從而使傾斜誤差超過1°。

本文回顧了使用加速度計的高精度角度/傾斜傳感系統(tǒng)的性能指標(biāo)。首先，在微觀層面了解傳感器設(shè)計本身，以便更好地理解微米級應(yīng)力和應(yīng)變的影響。如果不遵循整體機(jī)械和物理設(shè)計方法，它將顯示一些令人驚訝的結(jié)果。最后，它將以設(shè)計人員可以采取的切實步驟結(jié)束，以最大限度地提高最苛刻應(yīng)用中的性能。

ADXL35x 傳感器設(shè)計

基于MEMS的加速度計可以在價格和性能方面涵蓋從消費類產(chǎn)品到軍事傳感的所有范圍。ADI公司產(chǎn)品組合中性能最佳的低噪聲加速度器是ADXL354和ADXL355，它們支持精密傾斜檢測、地震成像等應(yīng)用，以及機(jī)器人和平臺穩(wěn)定領(lǐng)域的許多新興應(yīng)用。ADXL355具有市場領(lǐng)先的特性，使其在高精度傾斜/角度檢測應(yīng)用中獨樹一幟，如出色的噪聲、失調(diào)、可重復(fù)性和溫度相關(guān)失調(diào)，以及振動校正和跨軸靈敏度等二階效應(yīng)。作為高精度加速度計的示例，將詳細(xì)探討該特定傳感器;但是，本節(jié)討論的原理適用于絕大多數(shù)3軸MEMS加速度計。

為了更好地理解ADXL355實現(xiàn)最佳性能的設(shè)計考慮因素，首先回顧傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是有益的，這將闡明三個軸對環(huán)境參數(shù)（例如，面外應(yīng)力）產(chǎn)生不同響應(yīng)的原因。在許多情況下，這種面外應(yīng)力是由傳感器z軸上的溫度梯度引起的。

ADXL35x系列加速度計由彈簧質(zhì)量系統(tǒng)組成，與許多其他MEMS加速度計類似。質(zhì)量響應(yīng)于外部加速度（如重力的靜態(tài)加速度或速度變化的動態(tài)加速度）而移動，其物理位移由轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制感知。MEMS傳感器中最常見的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制是電容式、壓阻式、壓電式或磁性。ADXL355采用容性轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，通過電容變化感測運動，電容變化通過讀出電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。雖然ADXL355對硅芯片上的所有三個軸傳感器均采用電容式轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，但X/Y傳感器和Z傳感器具有兩種根本不同的電容式檢測架構(gòu)。X/Y 傳感器基于差分面內(nèi)手指，而 Z 傳感器是面外平行板電容式傳感器，如圖 1 所示。

圖1.ADXL355的傳感器架構(gòu)。對于 X/Y 傳感器，隨著證明質(zhì)量的移動，錨定手指和連接到證明質(zhì)量的手指之間的電容會發(fā)生變化。z 軸傳感器上的質(zhì)量不平衡允許對 z 軸加速度進(jìn)行面外感應(yīng)。

如果傳感器上有壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力，MEMS模具就會翹曲。由于證明質(zhì)量用彈簧懸浮在基板上，因此它不會與基板串聯(lián)翹曲，因此，質(zhì)量與基板之間的間隙會發(fā)生變化。對于 X/Y 傳感器，間隙不在電容靈敏度方向上，因為面內(nèi)位移對手指的電容變化影響最大。這是由于條紋電場的補(bǔ)償作用。然而，對于Z傳感器來說，基板和證明質(zhì)量之間的間隙確實是傳感間隙。因此，它對Z傳感器有直接影響，因為它有效地改變了Z傳感器的傳感間隙。另一個加劇效應(yīng)是Z傳感器位于模具的中心，對于模具上的任何給定應(yīng)力，翹曲最大化。

除了物理應(yīng)力外，由于大多數(shù)應(yīng)用中z軸的傳熱不對稱性，z軸傳感器上的溫度梯度也很常見。在典型應(yīng)用中，傳感器焊接到印刷電路板（PCB）上，整個系統(tǒng)都在一個封裝內(nèi)。X 和 Y 傳熱主要是通過封裝周邊的焊點傳導(dǎo)到對稱的 PCB。然而，在z方向上，當(dāng)熱量通過空氣并流出封裝時，由于芯片頂部的焊接和對流，熱量傳遞是通過底部的傳導(dǎo)進(jìn)行的。由于這種不匹配，z軸上將存在殘余溫差梯度。與物理壓縮/拉伸應(yīng)力一樣，這將在 z 軸上產(chǎn)生不是由加速度引起的偏移。

環(huán)境壓力下的數(shù)據(jù)審查

雖然ADXL354（模擬輸出）加速度計可以連接到任何模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，但ADXL355評估板經(jīng)過優(yōu)化，可直接放置在客戶系統(tǒng)中，以便于與現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計。本文使用了小尺寸評估板EVAL-ADXL35x。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析，EVAL-ADXL35x連接到SDP-K1微控制器板，并使用Mbed環(huán)境進(jìn)行編程。Mbed 是 ARM 微控制器板的開源免費開發(fā)環(huán)境。它有一個在線編譯器，可讓您快速入門。SDP-K1 板連接到 PC 時顯示為外部驅(qū)動器。要對電路板進(jìn)行編程，只需將編譯器生成的二進(jìn)制文件拖放到 SDP-K1 驅(qū)動器中即可。??3, 4

一旦Mbed系統(tǒng)通過UART記錄數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在有一個基本的測試環(huán)境，用于試用ADXL355實驗，并將輸出流式傳輸?shù)胶唵蔚慕K端進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和進(jìn)一步分析。需要注意的是，無論加速度計的輸出數(shù)據(jù)速率如何，Mbed代碼都只是在2 Hz處記錄寄存器。 在 Mbed 中，日志記錄速度可能比這更快，但這超出了本文的范圍。

一個好的起始數(shù)據(jù)集有助于建立基線性能，并驗證我們大多數(shù)后續(xù)數(shù)據(jù)分析中預(yù)期的噪聲水平。使用Panavise鉸接虎鉗臂5具有吸盤安裝座，可在工作臺設(shè)置中具有相當(dāng)穩(wěn)定的工作表面，因為它粘在玻璃工作表面上。在這種配置下，ADXL355板（從側(cè)面固定）與實驗室臺式一樣穩(wěn)定。更高級的高級用戶可能會注意到，這種虎鉗支架可能會有一些傾倒運動的風(fēng)險，但這是一種簡單且經(jīng)濟(jì)有效的方法，允許根據(jù)重力改變方向。如圖2所示，將ADXL355電路板放置在支架中，捕獲一組60秒的數(shù)據(jù)用于首次分析。

圖2.使用EVAL-ADXL35x、SDP-K1和PanaVise卡口進(jìn)行測試設(shè)置。

圖3.不帶低通濾波器的ADXL355數(shù)據(jù)（寄存器0x28=0x00），耗時超過1分鐘。

取120個數(shù)據(jù)點并測量標(biāo)準(zhǔn)偏差顯示噪聲在800 μg至1.1 mg范圍內(nèi)。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的ADXL355典型性能規(guī)格，我們看到噪聲密度為25 μg/√Hz。使用默認(rèn)的低通濾波器（LPF）設(shè)置時，加速度計的帶寬約為1000 Hz。 假設(shè)使用磚墻濾波器，噪聲預(yù)計為25 μ g/√Hz× √1000 Hz = 791 μg rms。第一個數(shù)據(jù)集通過了第一個嗅探測試。準(zhǔn)確地說，從噪聲頻譜密度到均方根噪聲的轉(zhuǎn)換應(yīng)該有一個因子來表示數(shù)字LPF沒有無限滾降（即磚墻濾波器）的事實。有些器件使用1.6×系數(shù)實現(xiàn)簡單的RC單極點20 dB/十倍頻程滾降，但ADXL355數(shù)字低通濾波器不是單極點RC濾波器。無論如何，假設(shè)系數(shù)在1到1.6之間至少可以讓我們進(jìn)入噪聲期望的正確近似值。

對于許多精密傳感應(yīng)用，1000 Hz 的帶寬對于被測信號來說太寬了。為了幫助優(yōu)化帶寬和噪聲之間的權(quán)衡空間，ADXL355內(nèi)置數(shù)字低通濾波器。對于下一個測試，我們將LPF設(shè)置為4 Hz，這應(yīng)該使噪聲凈降低√1000 / √4倍≈16。這在 Mbed 環(huán)境中使用圖 4 所示的簡單結(jié)構(gòu)簡單完成，而數(shù)據(jù)如圖 5 所示。6濾波后，噪聲明顯如預(yù)期下降。如表 1 所示。

圖4.用于配置寄存器的 Mbed 代碼。

圖5.LPF設(shè)置為4 Hz（寄存器0x28=0x08）的ADXL355數(shù)據(jù)，耗時超過1分鐘。

表1顯示，采用當(dāng)前設(shè)置的y軸噪聲高于理論預(yù)期。在調(diào)查了可能的原因后，我們注意到額外的筆記本電腦和其他實驗室設(shè)備風(fēng)扇振動可能在 y 軸上表現(xiàn)為噪音。為了測試這一點，旋轉(zhuǎn)虎鉗以將x軸放置在y軸用于此測試的位置，并且較高的噪聲軸確實移動到x軸。因此，軸之間的噪聲差異似乎是儀器噪聲，而不是加速度計軸上噪聲水平的內(nèi)在差異。這種類型的測試實際上是低噪聲加速度計的“Hello World”測試，因此它為進(jìn)一步測試提供了信心。

為了了解熱沖擊對ADXL355的影響有多大，我們使用了熱風(fēng)槍。7并將其置于較冷的空氣模式（實際上比室溫高幾度），以便對加速度計施加熱應(yīng)力。溫度也使用ADXL355的板載溫度傳感器記錄。該實驗使用虎鉗垂直放置ADXL355，以便氣槍可以在封裝頂部吹氣。該實驗的預(yù)期結(jié)果是，隨著芯片升溫，偏移的溫度系數(shù)會出現(xiàn)，但任何熱應(yīng)力差分幾乎都會立即出現(xiàn)。換句話說，如果各個傳感軸對差熱應(yīng)力敏感，則預(yù)計加速度計輸出會出現(xiàn)凸起。在數(shù)據(jù)安靜時從數(shù)據(jù)中刪除平均值，可以同時輕松比較所有三個軸。結(jié)果如圖 6 所示。

圖6.ADXL355在冷設(shè)置下使用熱風(fēng)槍的熱沖擊數(shù)據(jù)。

如圖6所示，氣槍將稍熱的空氣吹到陶瓷封裝上，陶瓷封裝對環(huán)境密封。這導(dǎo)致 z 軸偏移 ~1500 μ g，y 軸偏移量小得多（可能為 ~100 μg），并且 x 軸幾乎沒有偏移。雖然許多最終客戶產(chǎn)品在PCB頂部有一些分布差熱應(yīng)力的外殼，但重要的是要考慮這些類型的快速瞬態(tài)應(yīng)力，這些應(yīng)力可能表現(xiàn)為失調(diào)誤差，如這個簡單的測試所示。

圖7顯示了熱風(fēng)槍關(guān)閉時的相反極性效應(yīng)。

圖7.ADXL355熱沖擊，氣槍在t = 240秒時關(guān)閉。

當(dāng)氣槍在加熱環(huán)境中使用時，這種效果更加明顯;也就是說，當(dāng)溫度沖擊幅度較大時。Weller氣槍的輸出大約在~400°C左右，因此遠(yuǎn)距離使用以防止過熱或熱沖擊造成的損壞非常重要。在該測試中，熱空氣在距離ADXL355約15 cm處吹出，導(dǎo)致~40°C的幾乎瞬時溫度沖擊，如圖8所示。

圖8.帶熱風(fēng)槍的ADXL355熱沖擊。

盡管熱沖擊量相當(dāng)大，但在這個實驗中，z軸的響應(yīng)速度比x軸和y軸快得多，這仍然令人驚訝。使用數(shù)據(jù)手冊中的偏移溫度系數(shù)，當(dāng)溫度偏移40°C時，預(yù)計在40 °C = 4 m g偏移×觀察到約100 μg/°C，x軸和y軸最終開始顯示。然而，注意到z軸上幾乎瞬間的10 mg偏移表明，這是一種正在處理的不同效應(yīng)，而不是由于溫度引起的偏移。這是傳感器上的熱應(yīng)力/應(yīng)變差分的結(jié)果，在z軸上最明顯，因為該傳感器對微分應(yīng)力比x和y更敏感，如本文前面所述。

ADXL355的典型失調(diào)溫度系數(shù)（失調(diào)溫度系數(shù)）在數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定為±100 μg/°C。了解此處使用的測試方法很重要，因為偏移溫度系數(shù)是用烤箱中的加速度計測量的。烘箱在傳感器的溫度范圍內(nèi)緩慢斜坡，并測量偏移的斜率。一個典型的示例如圖 9 所示。

圖9.ADXL355基于烘箱的溫度表征。

在這個情節(jié)中有兩個效果在起作用。一個是數(shù)據(jù)手冊中表征和記錄的偏移溫度系數(shù)。這可以解釋為從 –45°C 到 +120°C 的許多部件的平均值，因為烤箱以 5°C/min 的速度升溫，但沒有任何浸泡時間。這將從類似于圖9的曲線得出，在165°C或約109 μg/°C時，其范圍略高于100 μg/°C的典型值，但在數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的最小和最大范圍內(nèi)。但是，請考慮圖9的右側(cè)，因為器件繼續(xù)在120°C下浸泡約15分鐘。當(dāng)器件處于高溫時，實際偏移量下降并改善。在這種情況下，平均值在165°C或約60 μg/°C偏移溫度系數(shù)下接近10 mg。第二個影響是差熱應(yīng)力，因為傳感器證明質(zhì)量在整個硅器件的溫度上穩(wěn)定下來，然后應(yīng)力降低。這是在圖6至圖8所示的氣槍測試中看到的效應(yīng)，重要的是要了解這種效應(yīng)在比數(shù)據(jù)手冊中列出的長期失調(diào)溫度系數(shù)更快的時間尺度上工作。這對于許多系統(tǒng)來說可能是有價值的，由于其整體熱動力學(xué)，它們的升溫速度可能比5°C/min慢得多。

影響ADXL355穩(wěn)定性的其他因素

一旦很好地理解了設(shè)計中的熱應(yīng)力，慣性傳感器的另一個重要方面是其長期穩(wěn)定性或可重復(fù)性。重復(fù)性定義為在相同條件下長時間連續(xù)測量的精度。例如，在很長一段時間內(nèi)，在相同溫度下對重力場進(jìn)行兩次測量，看看它們的匹配程度。在無法適應(yīng)定期維護(hù)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。許多傳感器制造商沒有在其數(shù)據(jù)手冊中描述或指定長期穩(wěn)定性。在ADI公司的ADXL355數(shù)據(jù)手冊中，預(yù)測的重復(fù)性為10年，包括高溫工作壽命測試（HTOL）（T一個= 150°C， V供應(yīng)= 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(jī)游走，寬帶噪聲和溫度滯后。ADXL35x系列具有出色的重復(fù)性，如數(shù)據(jù)手冊所示，ADXL355對于X/Y和Z傳感器的重復(fù)性分別為±2 mg和±3 mg。

在穩(wěn)定的機(jī)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（最終產(chǎn)品的任務(wù)曲線可能更短），請使用以下公式：±2 m g × √（2.5 年/10 年）= ±1 mg。圖 10 顯示了 23 天內(nèi) 32 個器件的 0 g 失調(diào)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)該強(qiáng)調(diào)的是，由于MEMS傳感器制造過程中的工藝差異，每個部件的行為都不同，有些部件的性能比其他部件更好。

圖 10.ADXL355 的 500 小時長期穩(wěn)定性。

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計建議

根據(jù)前面討論的知識，很明顯，機(jī)械安裝接口和外殼設(shè)計將有助于ADXL355傳感器的整體性能，因為它會影響傳播到傳感器的物理應(yīng)力。通常，機(jī)械安裝，外殼和傳感器形成二階（或更高）系統(tǒng);因此，其響應(yīng)在共振或過阻尼之間變化。機(jī)械支持系統(tǒng)具有代表這些二階系統(tǒng)的模式（由共振頻率和品質(zhì)因數(shù)定義）。在大多數(shù)情況下，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，應(yīng)選擇傳感器封裝的任何外殼的幾何形狀以及所有接口和材料，以避免ADXL355應(yīng)用帶寬內(nèi)的機(jī)械衰減（由于過阻尼）或放大（由于諧振）。此類設(shè)計注意事項的詳細(xì)信息超出了本文的范圍;但是，簡要列出了一些實用項目：

PCB、安裝和外殼

將 PCB 牢固地連接到剛體基板上。使用多個安裝螺釘與PCB背面的粘合劑相結(jié)合可提供最佳支撐。

將傳感器靠近安裝螺釘或緊固件放置。如果PCB幾何形狀很大（幾英寸），請在電路板中間使用多個安裝螺釘，以避免PCB的低頻振動，這些振動會耦合到加速度計并進(jìn)行測量。

如果 PCB 僅由凹槽/舌形結(jié)構(gòu)機(jī)械支撐，請使用較厚的 PCB（建議厚度大于 2 毫米）。對于幾何形狀較大的PCB， 增加厚度以保持系統(tǒng)的剛度.使用有限元分析（如ANSYS或類似技術(shù)）為特定設(shè)計提供最佳的PCB幾何形狀和厚度。

對于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等長時間測量傳感器的應(yīng)用，傳感器的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要。應(yīng)選擇封裝、PCB和粘合劑材料，以盡量減少機(jī)械性能隨時間推移的退化或變化，這可能會導(dǎo)致傳感器上的額外應(yīng)力，從而造成偏移。

避免對外殼的固有頻率做出假設(shè)。在簡單外殼的情況下計算固有振動模式，在更復(fù)雜的外殼設(shè)計的情況下計算有限元分析將是有用的。

事實證明，將ADXL355焊接到電路板上會產(chǎn)生應(yīng)力積聚，會導(dǎo)致高達(dá)幾毫克的偏移。為了減輕這種影響，建議在PCB上通過銅走線的PCB著陸圖案、導(dǎo)熱焊盤和傳導(dǎo)路徑對稱。請嚴(yán)格遵循ADXL355數(shù)據(jù)手冊中提供的焊接指南。還觀察到，在某些情況下，在任何校準(zhǔn)之前進(jìn)行焊接退火或熱循環(huán)有助于緩解應(yīng)力積聚并管理長期穩(wěn)定性問題。

灌封化合物

灌封化合物廣泛用于固定外殼內(nèi)的電子設(shè)備。如果傳感器封裝是包覆成型塑料，例如焊盤柵格陣列（LGA），則強(qiáng)烈建議不要使用灌封化合物，因為它們的溫度系數(shù)（TC）與外殼材料不匹配，導(dǎo)致壓力直接施加在傳感器上，然后偏移。然而，ADXL355采用密封陶瓷封裝，可顯著保護(hù)傳感器免受TC效應(yīng)的影響。但是，由于材料隨著時間的推移而退化，灌封化合物仍然會導(dǎo)致PCB上的應(yīng)力積聚，從而可能通過硅芯片的小翹曲對傳感器造成應(yīng)變。通常建議避免在需要高穩(wěn)定性的應(yīng)用中灌封傳感器。低應(yīng)力保形涂層（如聚對二甲苯C）可以提供某種形式的防潮層作為灌封的替代品。8

氣流、傳熱和熱平衡

為了實現(xiàn)最佳的傳感器性能，在優(yōu)化溫度穩(wěn)定性的環(huán)境中設(shè)計、定位和利用傳感系統(tǒng)非常重要。如本文所示，由于傳感器芯片上的熱應(yīng)力差，即使是很小的溫度變化也會顯示出意想不到的結(jié)果。以下是一些提示：

傳感器應(yīng)放置在PCB上，以使傳感器上的熱梯度最小。例如，線性穩(wěn)壓器可以產(chǎn)生大量熱量;因此，它們靠近傳感器會導(dǎo)致MEMS兩端的溫度梯度，該梯度可能隨穩(wěn)壓器中的電流輸出而變化。

如果可能，傳感器模塊應(yīng)部署在遠(yuǎn)離氣流的區(qū)域（例如HVAC），以避免頻繁的溫度波動。如果不可能，封裝外部或內(nèi)部的熱隔離是有幫助的，可以通過隔熱來實現(xiàn)。請注意，需要考慮傳導(dǎo)和對流熱路徑。

建議選擇外殼的熱質(zhì)量，以便在環(huán)境熱變化不可避免的應(yīng)用中抑制環(huán)境熱波動。

結(jié)論

本文介紹了高精度ADXL355加速度計如何在不充分考慮環(huán)境和機(jī)械效應(yīng)的情況下降低性能。通過整體設(shè)計實踐和對系統(tǒng)級別的關(guān)注，挑剔的工程師可以為他們的傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)出色的性能。由于我們中的許多人在生活中都經(jīng)歷了前所未有的壓力，因此認(rèn)識到，與加速度計類似，殺死我們的從來都不是壓力，而是我們對壓力的反應(yīng)！

審核編輯：郭婷