為您的應用選擇最合適的MEMS加速度計

加速度計能夠測量加速度、傾斜度、振動或沖擊，因此可用于從可穿戴健身設備到工業平臺穩定系統的各種應用。有數百種零件可供選擇，成本和性能差異很大。本文第 1 部分討論了設計人員需要了解的關鍵參數和特性，以及它們與傾斜和穩定應用的關系，從而幫助設計人員選擇最合適的加速度計。第 2 部分將重點介紹可穿戴設備、狀態監控 （CBM） 和物聯網應用。

最新的MEMS電容式加速度計正在應用于傳統上由壓電加速度計和其他傳感器主導的應用。煤層氣、結構健康監測（SHM）、資產健康監測（AHM）、生命體征監測（VSM）和物聯網無線傳感器網絡等應用是下一代MEMS傳感器提供解決方案的領域。然而，有這么多的加速度計和如此多的應用，選擇合適的加速度計很容易變得混亂。

沒有行業標準來定義加速度計適合的類別。加速度計通常分為幾類，相應的應用如表1所示。所示的帶寬和g范圍值是所列最終應用中使用的加速度計的典型值。

圖1顯示了一系列MEMS加速度計的快照，并根據特定應用的關鍵性能指標和智能/集成度對每個傳感器進行了分類。本文重點關注基于增強型MEMS結構和信號處理的下一代加速度計，以及世界一流的封裝技術，其穩定性和噪聲性能可與更昂貴的利基器件相媲美，同時功耗更低。根據應用程序的相關性，以下各節將更詳細地討論這些屬性和其他關鍵加速度計規范。

圖1.ADI公司MEMS加速度計系列的應用前景。

傾斜或傾斜感應

關鍵標準：偏置穩定性、溫度偏移、低噪聲、可重復性、振動校正、跨軸靈敏度。

精確的傾斜或傾斜檢測是MEMS電容式加速度計的一個苛刻的應用，特別是在存在振動的情況下。使用MEMS電容式加速度計在動態環境中實現0.1°的傾斜精度是非常困難的——<1°是困難的，>1°是非?？梢詫崿F的。為了使加速度計能夠有效地測量傾斜或傾斜度，必須充分了解傳感器性能和最終應用環境。與動態環境相比，靜態環境為測量傾斜提供了更好的條件，因為振動或沖擊會破壞傾斜數據并導致測量中的重大誤差。測量傾斜最重要的規格是溫度系數偏移、滯后、低噪聲、短期/長期穩定性、可重復性和良好的振動校正。

零g偏置精度、焊接引起的零g偏置偏移、PCB外殼對準引起的零g偏置偏移、零g偏置溫度系數、靈敏度精度和溫度系數、非線性和跨軸靈敏度等誤差是可以觀察到的，可以通過組裝后校準過程來減少。其他誤差術語，如遲滯、壽命范圍內的零g偏置偏移、壽命范圍內的靈敏度偏移、濕度引起的零g偏移以及溫度隨時間變化引起的PCB彎曲和扭曲，無法在校準中解決，否則它們需要一定程度的現場維修才能減少。

ADI公司的加速度計系列可分為MEMS （ADXLxxx）和i傳感器（ADIS16xxx）專用器件。我傳感器或智能傳感器是高度集成（4°至10°自由度）和可編程部件，用于動態條件下的復雜應用。這些高度集成的即插即用解決方案包括完整的工廠校準、嵌入式補償和信號處理，解決了上述現場服務中的許多錯誤，并大大減輕了設計和驗證負擔。這種廣泛的工廠校準表征了整個傳感器信號鏈在指定溫度范圍內（典型值為?40°C至+85°C）的靈敏度和偏置。 因此，每個i傳感器部件都有自己獨特的校正公式，以便在安裝時產生準確的測量結果。對于某些系統，工廠校準消除了對系統級校準的需求，并大大簡化了其他系統的校準。?

我傳感器部件專門針對某些應用。例如，圖2所示的ADIS16210專為傾斜應用而設計和定制，因此可提供開箱即用的<1°相對精度。這在很大程度上取決于集成的信號處理和單元特定校準，以實現最佳精度性能。我傳感器將在穩定部分進一步討論。

圖2.ADIS16210精密三軸傾角。

ADXL355等最新一代加速度計架構的通用性更強（傾斜度、狀態監測、結構健康、IMU/AHRS應用），并且包含較少的應用特定，但仍具有豐富的集成模塊，如圖3所示。

圖3.ADXL355 低噪聲、低漂移、低功耗、3軸MEMS加速度計。

以下部分比較了通用加速度計ADXL345與下一代低噪聲、低漂移和低功耗加速度計ADXL355，后者非常適合用于各種應用，如物聯網傳感器節點和傾角計。此比較著眼于傾斜應用中的誤差源以及可以補償或消除的誤差。表2顯示了消費級ADXL345加速度計理想性能規格和相應傾斜誤差的估計值。當試圖達到最佳的傾斜精度時，必須應用某種形式的溫度穩定或補償。在本例中，假設恒溫為 25°C。無法完全補償的最大誤差因素是溫度失調、偏置漂移和噪聲?？梢越档蛶捯越档驮肼?，因為傾斜應用通常需要低于1 kHz的帶寬。

表3顯示了ADXL355的相同標準。短期偏置值是根據ADXL355數據手冊中的根艾倫方差圖估算的。在25°C時，通用ADXL345的補償傾斜精度估計為0.1°。對于工業級ADXL355，估計傾斜精度為0.005°。比較ADXL345和ADXL355可以看出，噪聲等大誤差貢獻因素分別從0.05°顯著降低到0.0045°，偏置漂移從0.057°顯著降低到0.00057°。這表明MEMS電容式加速度計在噪聲和偏置漂移方面的性能有了巨大的飛躍，在動態條件下實現了更高水平的傾斜精度。

選擇更高等級的加速度計對于實現所需性能至關重要，特別是當您的應用要求低于 1° 的傾斜精度時。應用精度可能因應用條件（較大的溫度波動、振動）和傳感器選擇（消費級與工業級或戰術級）而異。在這種情況下，ADXL345需要大量的補償和校準工作才能實現<1°的傾斜精度，從而增加了整體系統工作量和成本。根據最終環境和溫度范圍的振動幅度，這甚至可能無法實現。在 25°C 至 85°C 的溫度范圍內，溫度系數偏移漂移為 1.375°，已經超過了傾斜精度低于 1° 的要求。

對于ADXL355，25°C至85°C的最大溫度系數失調漂移為0.5°。

ADXL354和ADXL355的重復性（X和Y為±3.5 m g/0.2°，Z為±Z為9 mg/0.5°）的使用壽命為10年，包括高溫工作壽命測試（HTOL）（T一個= 150°C， V供應= 3.6 V和1000小時）、溫度循環（?55°C至+125°C和1000次循環）、速度隨機游走、寬帶噪聲和溫度遲滯。通過在所有條件下提供可重復的傾斜測量，這些新型加速度計無需在惡劣環境中進行大量校準即可實現最小的傾斜誤差，并最大限度地減少部署后校準的需求。ADXL354和ADXL355加速度計提供有保證的溫度穩定性，零點偏移系數為0.15 mg/°C（最大值）。這種穩定性最大限度地減少了與校準和測試工作相關的資源和費用，有助于為 OEM 實現更高的吞吐量。此外，密封封裝有助于確保最終產品在出廠后很長時間內符合其可重復性和穩定性規格。

通常，數據手冊上未顯示可重復性和抗振動校正誤差（VRE），因為這是性能較低的潛在指標。例如，ADXL345是一款通用加速度計，面向VRE不是設計人員重點關注的消費類應用。然而，在慣性導航、傾角應用或振動密集的特定環境中，VRE抗擾度可能是設計人員最關心的問題，因此，ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357數據手冊中都包含VRE。

如表4所示，VRE是加速度計暴露于寬帶振動時引入的失調誤差。當加速度計暴露于振動時，VRE在傾斜測量中會產生顯著誤差，而溫度和噪聲貢獻的偏移為0 g。這是它被排除在數據手冊之外的關鍵原因之一，因為它很容易使其他關鍵規格黯然失色。

VRE是加速度計對直流振動的響應。這些直流整流振動會改變加速度計的偏移，導致重大誤差，特別是在目標信號為直流輸出的傾斜應用中。直流失調的任何微小變化都可以解釋為傾斜度的變化，并導致系統級誤差。

VRE可能由加速度計（在本例中為ADXL355）中的各種諧振和濾波器引起，因為VRE對頻率具有很強的依賴性。振動被這些共振放大了等于共振Q系數的系數，并將抑制更高頻率的振動，由于2德·諧振器的 2 極響應順序。傳感器的Q因子共振越大，由于振動放大較大，VRE越大。較大的測量帶寬會導致高頻帶內振動的積分，從而導致更高的VRE，如圖4所示。通過為加速度計選擇合適的帶寬來抑制高頻振動，可以避免許多與振動相關的問題。1

圖4.ADXL355 VRE在不同帶寬下進行測試。

靜態傾斜測量通常需要±1 g至±2 g左右的低g加速度計，帶寬小于1.5 kHz。模擬輸出ADXL354和數字輸出ADXL355是低噪聲密度（分別為20 μg√Hz和25 μg√Hz）、低0 g失調漂移、低功耗、3軸加速度計，集成溫度傳感器和可選測量范圍，如表5所示。

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357采用密封封裝，有助于提供出色的長期穩定性。封裝帶來的性能提升通常會擴展，如圖 5 所示。在制造商可以做些什么來增加與穩定性和漂移相關的額外性能方面，封裝經常被忽視。這一直是ADI公司關注的重點，從我們提供的各種傳感器封裝類型中可以看出這一點，以適應不同的應用領域。

高溫和動態環境

在額定用于高溫或惡劣環境工作的加速度計問世之前，一些設計人員被迫使用遠遠超出數據手冊限制的標準溫度IC。這意味著最終用戶承擔在高溫下鑒定組件的責任和風險，這既昂貴又耗時。眾所周知，密封密封封裝在高溫下堅固耐用，可防止導致腐蝕的濕氣和污染。ADI公司提供一系列密封器件，在整個溫度范圍內具有增強的穩定性和性能。ADI公司還做了大量工作，研究塑料封裝在高溫下的性能，特別是引腳框架和引線符合高溫焊接工藝的能力，以及為高沖擊和振動環境提供安全連接的能力。因此，ADI公司提供18款額定溫度范圍為?40°C至+125°C的加速度計，包括ADXL206、ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357、ADXL1001/ADXL1002、ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大多數競爭對手不提供能夠在?40°C至+125°C范圍內或在惡劣環境條件下（如重型工業機械和井下鉆探和勘探）工作的MEMS電容式加速度計。

圖5.通過先進的封裝技術和校準實現的性能提升示例。

在溫度高于125°C的非常惡劣的環境中進行傾角測量是一項極具挑戰性的任務。ADXL206是一款高精度（傾斜精度<0.06°）、低功耗、完整的雙軸MEMS加速度計，適用于高溫和惡劣環境，如井下鉆探和勘探。該器件采用13 mm ×8 mm ×2 mm側釬焊陶瓷雙列直插式封裝，環境溫度范圍為?40°C至+175°C，175°C以上性能下降，可恢復性100%。

在存在振動的動態環境中進行傾角測量，例如農業設備或無人機，需要更高的g范圍加速度計，例如ADXL356/ADXL357。有限g范圍內的加速度計測量會導致削波，從而導致額外的偏移添加到輸出中。削波可能是由于敏感軸處于 1 g 重力場中，或者由于快速上升時間和緩慢衰減的沖擊。g范圍越高，加速度計削波越大，從而減少偏移，從而在動態應用中提高傾斜精度。

圖6顯示了ADXL356 Z軸的g范圍限制測量結果，該測量范圍中已經存在1 g。圖7顯示了相同的測量結果，但g范圍從±10 g擴展到±40 g?？梢郧宄乜吹?，通過擴展加速度計的g范圍，由于削波引起的偏移顯著減少。

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357以小尺寸提供出色的振動校正、長期可重復性和低噪聲性能，非常適合靜態和動態環境中的傾斜/傾斜檢測。

圖6.ADXL356 VRE，Z 軸偏移從 1 g 開始，±10 g 范圍，Z 軸方向 = 1 g。

圖7.ADXL356 VRE，Z 軸偏移從 1 g 起，±40 g 范圍，Z 軸方向 = 1 g。

穩定

關鍵標準：噪聲密度、速度隨機游走、運行中偏置穩定性、偏置重復性和帶寬。

檢測和理解運動可以為許多應用增加價值。價值來自于利用系統所經歷的運動并將其轉化為改進的性能（縮短響應時間、提高精度、加快運行速度）、增強的安全性或可靠性（在危險情況下關閉系統）或其他附加值功能。如圖8所示，由于運動的復雜性，例如，在船上使用的基于無人機的監視設備和天線指向系統中，有一大類穩定應用需要陀螺儀與加速度計（傳感器融合）的組合。2

圖8.六個自由度 IMU。

六自由度IMU使用多個傳感器，因此它們可以彌補彼此的弱點?？此坪唵蔚膽T性運動在一兩個軸上實際上可能需要加速度計和陀螺儀傳感器融合，以補償振動、重力和其他僅靠加速度計或陀螺儀無法準確測量的影響。加速度計數據由重力分量和運動加速度組成。這些不能分開，但陀螺儀可用于幫助從加速度計輸出中去除重力分量。在進行所需的積分過程以確定加速度位置后，加速度計數據的重力分量引起的誤差會很快變大。由于累積誤差，僅靠陀螺儀不足以確定位置。陀螺儀不感測重力，因此它們可以與加速度計一起用作支撐傳感器。

在穩定應用中，MEMS傳感器必須提供平臺方向的精確測量，特別是在運動時。使用伺服電機進行角運動校正的典型平臺穩定平臺系統的框圖如圖9所示。反饋/伺服電機控制器將方向傳感器數據轉換為伺服電機的校正控制信號。

圖9.基本平臺穩定系統。3

最終應用將決定所需的精度水平，選擇的傳感器質量是消費級還是工業級將決定這是否可實現。區分消費級設備和工業級設備非常重要，這有時可能需要仔細考慮，因為差異可能很微妙。表6顯示了集成到IMU中的消費級和中級工業級加速度計之間的主要區別。

在某些情況下，條件是良性的并且不精確的數據是可以接受的，低精度設備可以提供足夠的性能。然而，在動態條件下對傳感器的需求迅速增長，由于無法減少實際測量或溫度效應的振動影響，精度較低的部件受到很大影響，因此難以測量低于3°至5°的指向精度。大多數低端消費類器件不提供參數規格，如振動校正、角度隨機游走和其他參數，這些參數實際上可能是工業應用中最大的誤差源。

為了在動態環境中測量1°至0.1°的指向精度，設計人員的器件選擇必須關注傳感器能夠抑制溫度和振動影響的漂移誤差。雖然傳感器濾波和算法（傳感器融合）是實現性能改進的關鍵因素，但它們無法消除從消費級到工業級傳感器的性能差距。ADI公司的新型工業IMU實現了接近上一代導彈制導系統的性能。ADIS1646x和已宣布的ADIS1647x等器件可以在標準和微型IMU尺寸中提供精密運動檢測，開辟了曾經的利基應用領域。

在本文的第2部分中，我們將繼續探討MEMS加速度計的關鍵性能特征，以及它們如何與可穿戴設備、狀態監控和物聯網等應用領域（包括結構健康監測和資產健康監測）相關聯。

審核編輯：郭婷