加速度计是一种很好的传感器，当桥梁因重力和方向的微小变化而开始倒塌时，它可以检测静态和动态加速度。这些传感器包括手机应用中使用的设备（当您倾斜屏幕时会改变屏幕方向），以及受出口管制的战术级设备，可以帮助军用车辆或航天器导航。1 但是，与大多数传感器一样，传感器在实验室或测试台上表现良好是一回事，而在恶劣、不受控制的环境条件和温度压力下保持相同的系统级性能则完全是另一回事。与人类一样，当加速度计在其使用寿命内受到前所未有的压力时，系统将作出反应，并可能因这些压力的影响而失效。
高精度倾斜传感系统在校准后通常可以实现优于 1° 的倾斜精度。使用市场领先的超低噪声和高稳定性加速度计（例如 ADXL354 或 ADXL355），通过校准可观察到的误差源可以实现 0.005° 的倾斜精度。2 然而，只有通过适当的应力释放才能实现这种精度。例如，传感器上的压缩/拉伸应力可能导致其偏转高达 20 mg，从而导致超过 1° 的倾斜误差。
本文探讨了使用加速度计的高精度角度/倾斜传感系统的性能指标。我们首先从微观角度分析传感器设计，以更好地了解微米级应力和应变的影响。如果不遵循整体机械和物理设计方法，分析会显示一些令人惊讶的结果。最后，为设计人员提供了实用步骤，以帮助在要求苛刻的应用中最大限度地提高性能。
ADXL35x 传感器设计
从价格和性能角度来看，基于 MEMS 的加速度计适用于从消费产品到军事检测等各种应用。ADI 产品组合中性能最佳的低噪声加速度计是 ADXL354 和 ADXL355，它们支持精密倾斜检测、地震成像等应用，以及机器人和平台稳定等许多新兴应用。ADXL355 具有市场领先的特性，使其在高精度倾斜/角度检测应用中具有独特优势，例如出色的噪声、失调、重复性和温度相关失调，以及振动校正和跨轴灵敏度等二阶效应。本文将以高精度加速度计为例，详细探讨这种特定的传感器；但是，本节讨论的原理适用于绝大多数三轴 MEMS 加速度计。
为了更好地理解 ADXL355 出色性能的设计考量，我们首先回顾一下传感器的内部结构，以解释为什么三个轴对环境参数（例如平面外应力）的响应不同。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. ADXL355 传感器架构。对于 X/Y 传感器，当检验质量块移动时，固定手指会连接到质量块上。
手指之间的电容发生变化。z 轴传感器上的质量不平衡，因此可以实现 z 轴加速度的平面外感测。
ADXL35x 系列加速度计包含一个弹簧质量系统，与许多其他 MEMS 加速度计类似。质量会响应外部加速度而移动，无论是静态（例如重力）还是动态（例如速度变化），其物理位移由换能机制检测。MEMS 传感器中最常用的换能机制是电容式、压阻式、压电式或磁性。ADXL355 使用电容换能机制通过电容变化检测运动，电容变化可由读出电路转换为电压或电流输出。虽然 ADXL355 对硅片上所有三个轴的传感器都使用电容换能机制，但 X/Y 和 Z 传感器使用两种完全不同的电容传感架构。X/Y 传感器均基于差分平面内交叉指状指状物，而 Z 传感器是平面外平行板电容传感器，如图 1 所示。
如果传感器上有压应力或拉应力，MEMS芯片就会翘曲。由于检测质量块通过弹簧悬浮在基板上方，因此不会随基板翘曲，但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方向上，这是边缘电场的补偿效应造成的，因为面内位移对叉指电容的变化影响最大。然而，对于Z传感器，基板与检测质量块之间的间隙实际上就是检测间隙。因此，它对Z传感器有直接的影响，因为它有效地改变了Z传感器的检测间隙。此外，Z传感器位于芯片的中心，如果芯片受到任何应力，这将产生最大程度的翘曲。
除了物理应力之外，z 轴传感器上还经常存在温度梯度，因为在大多数应用中，z 轴上的热传递是不对称的。在典型的应用中，传感器焊接到印刷电路板 (PCB) 上，整个系统位于封装内部。x 轴和 y 轴上的热传递主要通过封装周边的焊点传递到对称的 PCB。然而，在 z 方向上，由于芯片顶部存在焊点和对流，热传递通过底部传导，并通过空气传递到封装外部。由于这种不匹配，z 轴上会出现残余温度梯度。与物理压缩/拉伸应力一样，这会导致 z 轴上出现不是由加速度引起的偏移。
受环境压力影响的数据审查
ADXL354（模拟输出）加速度计可以连接到任何模拟数据采集系统进行数据分析，而 ADXL355 评估板经过优化，可直接放入客户系统中，从而简化现有嵌入式系统的原型设计。本文使用了一块小型评估板 eval-ADXL35x。为了记录和分析数据，eval-ADXL35x 连接到 SDP-K1 微控制器板并使用 Mbed® 环境进行编程。Mbed 是一个开源且免费的 ARM® 微控制器板开发环境，附带在线编译器，可帮助您快速构建。当 SDP-K1 板连接到 PC 时，它会显示为外部驱动器。要对板进行编程，只需将编译器生成的二进制文件拖放到 SDP-K1 驱动器中即可。
一旦 Mbed 系统通过 UART 记录数据，就形成了一个基本的测试环境，用于测试 ADXL355 实验并将输出传输到一个简单的端口进行数据记录和进一步分析。值得注意的是，无论加速度计的输出数据速率如何，Mbed 代码都会以 2 Hz 的速率记录寄存器。Mbed 中可以实现更快的记录速率，但本文不作介绍。
良好的初始数据集有助于建立基准性能并验证我们随后执行的大多数数据分析中将出现的噪声水平。使用带有吸盘装置的 PanaVise 铰接式虎钳 5，当设备粘附在玻璃表面上时，可以通过工作台设置实现相当稳定的工作表面。通过这种配置，ADXL355 板（从侧面连接）与实验台一样稳定。更高级的高级用户可能会注意到，这种虎钳设置存在倾倒风险，但它是一种基于重力改变方向的简单且廉价的方法。如图 2 所示安装 ADXL355 板后，首次分析获取了一组 60 秒的数据。
图 2.使用 eval-ADXL35x、SDP-K1 和 PanaVise 支架的测试设置。
图 3. 没有低通滤波器（寄存器 0x28 = 0x00）且收集时间超过 1 分钟的 ADXL355 数据。
取 120 个数据点并测量标准偏差，结果显示噪声介于 800 μg 和 1.1 mg 之间。根据 ADXL355 数据手册中的典型性能规格，我们看到噪声密度为 25 µg/√Hz。使用默认低通滤波器 (LPF) 设置，加速度计的带宽约为 1000 Hz。假设使用砖墙式滤波器，噪声现在约为 25 µg/√Hz × √1000 Hz = 791 µg rms。此初始数据集通过了第一次采样测试。确切地说，从噪声谱密度到均方根噪声的转换应使用一个因子钢结构应力应变检测，该因子应考虑到数字 LPF 不会无限滚降（即砖墙式滤波器）。有些人使用 1.6× 因子来实现简单的 RC 单极点 20 dB/倍频程滚降，但 ADXL355 数字低通滤波器不是单极点 RC 滤波器。 无论如何，假设 1 到 1.6 之间的因子至少可以让我们对噪声有一个很好的近似值。
对于许多精密传感应用而言，1000 Hz 带宽相对于被测信号来说太宽了。为了帮助优化带宽和噪声之间的权衡，ADXL355 使用板载数字低通滤波器。在下面的测试中，我们将 LPF 设置为 4 Hz，这将使噪声降低 √1000/√4 ≈ 16 的噪声系数。此测试在 Mbed 环境中使用图 4 所示的简单结构完成，数据如图 5 所示。6 滤波后，噪声按预期显著降低。如表 1 所示。
图 4.用于配置寄存器的 Mbed 代码。
图 5. LPF 设置为 4 Hz（寄存器 0x28 = 0x08）并在 1 分钟内收集的 ADXL355 数据。
表 1. ADXL355 的预期噪声和测量噪声
表 1 表明，在当前设置下，y 轴的噪声比理论上预期的要大。在调查了可能的原因后，我们确定来自其他笔记本电脑和其他实验室设备风扇的振动可能会在 y 轴上显示为噪声。为了验证这一点，我们转动了夹具，使 x 轴位于 y 轴原来的位置，结果显示 x 轴成为噪声更大的轴。轴与轴之间的噪声差异似乎是仪器噪声，而不是加速度计轴本身之间的噪声水平差异。这种类型的测试实际上是低噪声加速度计的“初始”测试，为进一步的测试提供了信心。
为了了解热冲击对 ADXL355 的影响有多大，我们使用了热风枪 7 并将其设置为冷风模式（实际上比室温高几度），以对加速度计施加热应力。我们还使用 ADXL355 的板载温度传感器来记录温度。对于这个实验，我们将 ADXL355 垂直固定在虎钳中，并用热风枪向封装顶部吹气。我们预计偏移处的温度系数会在实验过程中随着芯片温度的升高而显示出来，但任何差分热应力几乎都会立即显示出来。换句话说，如果单个传感轴对差分热应力敏感，则加速度计输出可能会出现较大的波动。通过在数据变化更缓慢时删除平均值，很容易同时比较三个轴。结果如图 6 所示。
图 6. 使用冷风模式下热风枪测量 ADXL355 的热冲击数据。
如图 6 所示，使用热风枪将微热的空气吹到密封的陶瓷封装上。结果是 z 轴上的偏移量约为 1500 μg，y 轴上的偏移量小得多（可能约为 100 µg），x 轴上的偏移量几乎没有。虽然许多最终客户产品在 PCB 顶部有一个外壳，以分散温差带来的热应力，但我们需要考虑这些类型的快速瞬态应力，这些应力可能会表现为偏移误差，正如在这个简单的测试中看到的那样。
图7显示了关闭热风枪后的反极性效果。
图 7. 当热风枪在 t = 240 秒时关闭时对 ADXL355 的热冲击。
在加热环境中使用热风枪时，即温度冲击幅度较大时，这种影响更为明显。Weller 热风枪的输出温度约为 400°C，因此需要在远处使用，以避免过热或热冲击造成的损坏。在此测试中，热风枪距离 ADXL355 约 15 厘米，导致温度立即上升约 40°C，如图 8 所示。
图 8.使用热风枪时对 ADXL355 的热冲击。
尽管热冲击的幅度相当大，但在本次实验中，z 轴的反应速度仍明显快于 x 轴和 y 轴。使用数据表中的偏移温度系数，我们会看到 40 °C 的温度变化约为 100 µg/°C × 40 °C = 4 mg，最终会显示在 x 轴和 y 轴上。然而，我们看到 z 轴上几乎立即出现了 10 mg 的变化，这表明这种影响不同于温度导致的变化。这是由传感器上的差异热应力/应变引起的，这在 z 轴上最为明显，因为如前所述，z 轴上的传感器对差异热应力比 x 轴和 y 轴更敏感。
在数据手册中，ADXL355 的典型失调温度系数 (offset tempco) 为 ±100 µg/°C。了解此处使用的测试方法非常重要，因为失调温度系数是使用烤箱中的加速度计测量的。烤箱温度在传感器的温度范围内缓慢升高，并测量失调的斜率。典型示例如图 9 所示。
图 9. 在烤箱中测试的 ADXL355 的温度特性。
图中显示了两种影响。一种是数据手册中描述和记录的失调温度系数。这是在以 5°C/min 升温但不浸泡的烤箱中，在 –45°C 至 +120°C 温度范围内许多产品的平均值。该结果可以从类似于图 9 的图中得出，可以注意到在 165°C 以上为 18 mg，或约 109 µg/°C，略微超出 100 µg/°C 的典型范围，但仍在数据手册中规定的最小值和最大值范围内。但是，考虑当器件在 120°C 下浸泡 15 分钟时会发生什么，如图 9 右侧所示。实际失调会降低，并且在器件处于高温时会改善。在这种情况下，平均值更接近 165°C 以上的 10 mg，或约 60 µg/°C 的失调温度系数。 发生的第二个效应与温差热应力有关，当传感器检验质量在整个硅片器件的温度范围内稳定后，温差热应力会减小。图 6 至图 8 所示的热风枪测试也显示了这种效应，重要的是要了解，它发生的时间比数据表中列出的长期偏移温度系数要短得多。这对于由于整体热动力学而升温速度远低于 5°C/min 的许多系统来说很有价值。
影响ADXL355稳定性的其他因素
在充分了解设计中的热应力之后，惯性传感器的另一个重要方面是其长期稳定性或可重复性。可重复性是指在相同条件下长时间连续测量的精度。例如，在一段时间内在同一温度下以相同方向测量两次重力场，并观察它们的匹配程度。对于无法进行定期维护校准的应用，偏移的可重复性和灵敏度是评估传感器长期稳定性的关键因素。许多传感器制造商没有在其数据手册中描述或指定长期稳定性。在 ADI ADXL355 数据手册中，可重复性是 10 年寿命预测，包括高温工作寿命测试 (HTOL)（TA = 150°C，VSUPPLY = 3.6 V，1000 小时）、测量温度循环（−55°C 至 +125°C 和 1000 次循环）、速度随机游走、宽带噪声和温度滞后引起的测量偏移。 如数据表所示，ADXL35x 系列具有出色的重复性，ADXL355 的 X/Y 传感器和 Z 传感器精度分别为 ±2 mg 和 ±3 mg。
在稳定的机械、环境和惯性条件下，重复性遵循平方根定律，因为它与测量时间有关。例如，为了获得两年半期间（对于最终产品而言，这可能是一个很短的时间段）的 x 轴偏移重复性，可以使用以下公式：±2 毫克 × √(2.5 年/10 年) = ±1 毫克。图 10 显示了 32 个设备在 23 天内的 HTOL 测试结果：偏移为 0 克。从该图中可以清楚地看到平方根定律。还应强调的是，由于 MEMS 传感器制造工艺的差异，每个设备的性能都会有所不同，有些设备的性能优于其他设备。
图10.ADXL355的长期稳定性长达500小时。
机械系统设计建议
经过上述分析和讨论，显然机械安装表面和外壳设计有助于提高 ADXL355 传感器的整体性能，因为它们会影响传输到传感器的物理应力。一般来说，机械安装、外壳和传感器形成二阶（或更高阶）系统；因此，在谐振或过阻尼期间，它会做出不同的响应。机械支撑系统具有代表这些二阶系统的模式（由谐振频率和品质因数定义）。在大多数情况下，我们的目标是了解这些因素并尽量减少它们对传感系统的影响。因此，应选择传感器的封装形状、所有接口和材料，以避免在 ADXL355 应用的带宽内出现机械衰减（由于过阻尼）或放大（由于谐振）。本文不详细讨论这些具体的设计考虑因素；但是，将简要列出一些实际事项：
PCB、安装和外壳
浇注料
灌封材料广泛用于将电子元件固定在外壳中。对于由二次模制塑料制成的传感器封装，例如接地栅阵列 (LGA)，不建议使用灌封材料，因为它们的温度系数 (TC) 与外壳材料不匹配，这会导致应力直接影响传感器，从而造成偏移。但是，ADXL355 使用密封陶瓷封装，可有效保护传感器免受 TC 的影响。但是，灌封材料仍可能导致 PCB 上应力累积，因为材料的特性会随着时间的推移而退化，从而导致硅芯片微翘曲和传感器应力。对于需要长期稳定性的应用，通常建议避免灌封。低应力保形涂层（例如 Parylene C）可以提供一些防潮层，可以代替灌封。
气流、热传递和热平衡
为了实现最佳的传感器性能，重要的是在温度稳定性得到优化的环境中设计、放置和使用检测系统。如本文所示钢结构应力应变检测，即使是很小的温度变化也会导致意想不到的后果，因为温差热应力会对传感器芯片产生影响。以下是一些建议：
综上所述
本文解释了如果不充分考虑环境和机械影响，高精度 ADXL355 加速度计的性能会如何下降。通过整体设计实践和对系统级配置的关注，敏锐的工程师可以实现出色的传感器系统性能。我们中的许多人都面临着前所未有的生活压力，但它永远不会压垮我们。重要的是我们如何处理压力，加速度计也是如此。认识到这一点很重要。
