优化高精度倾斜/角度感测：加速度计基础

加速度计是一种奇妙的传感器，它能够感应静态和动态加速度，这些加速度随着相对于重力的方向到桥梁开始出现故障的微妙运动而变化。这些传感器的范围从手机级设备（当您倾斜它们时会改变显示器的方向）到有助于导航军用车辆或航天器的出口控制的战术级设备。 [1]然而，与大多数传感器一样，传感器在实验室或台式机上表现良好是一回事。面对狂野且不受控制的环境和温度压力，在系统级别获得这种性能完全是另一回事。当加速度计像人类一样在其一生中经历前所未有的压力时，系统可能会因这些压力的影响而做出反应并出现故障。

高精度倾斜传感系统通常经过校准以实现优于 1° 的倾斜精度。利用市场领先的超低噪声和高度稳定的加速度计，例如 ADXL354 或 ADXL355，可以通过适当校准可观察误差源实现 0.005° 的倾斜精度。 [2]然而，只有适当减轻应力才能达到这种精度水平。例如，传感器上的压缩/拉伸应力可导致高达 20 mg 的偏移，从而导致超过 1° 的倾斜误差。

本系列文章回顾了使用加速度计的高精度角度/倾斜感测系统的性能指标。在本文中，我们将从在微观层面了解传感器设计本身开始，以便更好地了解小至微米级别的应力和应变的影响。在另一篇文章中，我们将介绍如果不遵循整体机械和物理设计方法可能会出现的一些令人惊讶的结果。最后，我们将通过设计人员可以采取的切实步骤来结束本系列，以最大限度地提高最苛刻应用程序的性能。

传感器设计基础

基于 MEMS 的加速度计可以在价格和性能方面发挥作用，从消费产品到军事传感。今天，性能最好的低噪声加速度计支持精密倾斜传感、地震成像等应用，以及机器人和平台稳定方面的许多新兴应用。高精度倾斜/角度传感应用的重要功能包括出色的噪声、偏移、可重复性和与温度相关的偏移，以及振动校正和横轴灵敏度等二阶效应。

为了更好地理解 3 轴高精度 MEMS 加速度计的设计考虑以实现最佳性能，首先回顾此类传感器的内部结构具有教育意义，这将阐明三个轴对环境参数产生不同响应的原因（例如, 平面外应力）。在许多情况下，这种平面外应力是由传感器 z 轴上的温度梯度引起的。

图 1 中所示的加速度计由一个弹簧质量系统组成，类似于许多其他 MEMS 加速度计。质量响应外部加速度（重力等静态加速度或速度变化等动态加速度）而移动，其物理位移由换能机制感知。

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图 1. 3 轴高精度 MEMS 加速度计的传感器架构，特别是来自 Analog Devices 的 ADXL355。对于 X/Y 传感器，随着质量块的移动，锚定的手指和连接到质量块的手指之间的电容会发生变化。 z 轴传感器上的质量不平衡允许对 z 轴加速度进行平面外感测。 （来源：Analog Devices）

MEMS 传感器中最常见的转换机制是电容式、压阻式、压电式或磁性式。像 ADXL355 这样的加速度计利用电容转换机制，通过电容变化来感测运动，电容变化通过读出电路转换为电压或电流输出。尽管 ADXL355 对硅芯片上的所有三轴传感器均采用电容转换机制，但 X/Y 传感器和 Z 传感器具有两种根本不同的电容传感架构。 X/Y 传感器基于差分平面内指，而 Z 传感器是平面外、平行板电容传感器，如图 1 所示。

如果传感器上存在压缩或拉伸应力，MEMS 芯片就会翘曲。由于质量块通过弹簧悬挂在基板上，它不会随基板一起翘曲，因此，质量块与基板之间的间隙会发生变化。对于 X/Y 传感器，间隙不在电容灵敏度的方向上，因为面内位移对手指的电容变化影响最大。这是由于边缘电场的补偿作用。然而，对于 Z 传感器，基板和检测质量之间的间隙确实是感测间隙。因此，它对 Z 传感器有直接影响，因为它有效地改变了 Z 传感器的感应间隙。另一个恶化的影响是 Z 传感器位于芯片的中心，对于芯片上的任何给定应力，翘曲在此处最大化。

除了物理应力之外，由于在大多数应用中 z 轴上的热传递不对称，z 轴传感器上的温度梯度很常见。在典型应用中，传感器焊接到印刷电路板 (PCB) 上，整个系统都在一个封装内。 X 和 Y 热传递主要是通过封装周边的焊点传导至 PCB，这是对称的。然而，在 z 方向，热传递是通过底部的传导进行的，这是由于热量通过空气并离开封装时芯片顶部的焊料和对流。由于这种不匹配，在 z 轴上将存在残余的温差梯度。就像物理压缩/拉伸应力一样，这将在 z 轴上产生一个不是由加速度引起的偏移。

在本系列的下一篇文章中，我们将回顾如何获取良好的起始数据集以建立基线性能并验证后续数据分析中预期的噪声级别。

参考文献

^[1] 克里斯墨菲。 “为您的应用选择最合适的 MEMS 加速度计——第 1 部分。”模拟对话，卷。 2017年10月第51期第4期。

^[2] 克里斯墨菲。 “加速度计倾斜测量温度和存在振动的情况。”模拟对话，2017 年 8 月。