無處不在的振動檢測需求，振動檢測里加速度計的選擇與發展

電子發燒友網報道（文/李寧遠）不管是消費電子、工業自動化還是汽車應用里，在監測設備的運行狀況、健康狀態的時候，都需要根據設備運行場景選擇合適的傳感器，以確保傳感器能夠準確地獲取設備信息，并進行檢測、診斷甚至預測故障。

振動檢測是一種實用的測量方式，檢測到的振動數據是用于診斷故障的關鍵預測變量。加速度計則是用于振動檢測的常用傳感器，廣泛應用于消費電子、工業自動化以及汽車傳感等領域，它能夠為單一設備或者整個系統收集狀態信息，進而提供傳感數據方便系統對設備或系統做出狀態預測。

振動檢測中的電容式與壓電式加速度計

考量合適的加速度計一般有兩大類選擇，電容式和壓電式。熱感式的加速度計也有，但是在我們熟悉的實際應用中應用較少，這里就不單獨列出。

電容式加速度計是基于電容極距變化的原理，在振動中電容極距發生變化，進而電容值變化，以此來衡量加速度值。在實際的應用中，為了捕捉這種有時候很微小的信號，會采用一堆電容陣列來放大信號。

壓電式加速度計的工作原理是壓電效應，壓電效應是一種施加應力能產生電荷，施加電場能產生尺寸上變形的效應。本質上是一種機械能與電能交互作用的現象。用在傳感器上的壓電效應是正壓電效應，即將機械能轉為電能，電壓值與加速度大小成正比。

在傳感器的飛速發展下，MEMS加速度計成為了大家的首選，從目前市場上的產品來看，MEMS加速度計基本上走的都是電容式路線。這是因為壓電式MEMS加速度計內部有剛體支撐的存在，通常情況下只能感應到動態加速度，而不能感應到靜態加速度，應用上有限制。電容式MEMS加速度計既能感應動態加速度也能感應靜態加速度。

不過從加速度計的發展歷史來看，壓電加速度計的應用更廣泛，因為它具有良好的線性度、出色的動態范圍、高溫操作特性和高達數百kHz的高帶寬這些優點。如果追求極致性能，壓電式的帶寬和噪聲性能肯定是更好一些的，但也貴了不少。在電容式或者電容式MEMS加速度計不滿足性能要求的特殊情況下，壓電路線是很好的選擇。

而電容式加速度計在MEMS的加持下，在小尺寸、低功耗和更快的頻率響應上也是越走越好。在MEMS的加持下，器件不僅能提供直流響應，在ADC、調諧濾波的加持下還能實現自檢，在振動檢測里備受關注。

這里根據兩種技術路線的特點，做了一個對比，如下：

傳感類型	帶寬	噪聲	直流響應
壓電式加速度計	高	1 μg/√Hz-50 μg/√Hz	無
電容/MEMES電容加速度計	低	25μg/√Hz-100 μg/√Hz	有

振動檢測中的傳感器選擇

從上面表格中我們可以很明顯地看出來，電容式/電容式MEMS加速度計因為帶寬較低，更適用于低頻振動的測量，如手機、PC等移動設備，壓電式加速度計能達到極致的高帶寬，更適用于高頻振動的測量。

消費電子我們以具有代表性的可穿戴設備為例，可穿戴設備在選擇振動檢測的加速度計時，看重的是低功耗、小尺寸以及可以增強節能性能的集成特性。低功耗永遠是可穿戴設備核心的一項指標，尺寸和集成性也是可穿戴設備里的硬指標。

這種要求就限定了振動檢測只能選擇電容式MEMS加速度計去檢測運動以及靜態加速度。這類應用對帶寬的要求并不高，十幾kHz到幾十kHz即可，對g值的要求范圍通常在1g左右。電容式MEMS加速度計很適合這種應用，需要注意的點在于器件帶寬和采樣速率可能在低功耗下降至無法測量可用加速度數據的水平。

工業領域這種振動傳感隨處可見，這里以電機檢測為例。振動傳感在電機檢測上一般能用于檢測以下幾個故障，軸承狀態、齒輪嚙合、泵氣蝕、電機未對準、電機未平衡以及電機負載條件。對于不平衡、未對準這一類故障，對傳感器件的噪聲性能要求并不算嚴格，對帶寬的要求也僅需達到5×至10×基頻即可，更多要求的是傳感器能對多軸進行同時檢測；軸承缺陷和齒輪缺陷這類故障則對噪聲和帶寬要求極高，噪聲范圍必須要控制在<100 μg/√Hz，同時帶寬要求>5kHz。此時電容式和壓電式的選擇就很微妙了，如果場景的動態范圍不是很高，帶寬要求也不是高的情況下，可以選擇電容式加速度計的時候都不會去選壓電式。

在現在的減少布線，降低功耗的工業無線傳感網絡趨勢下這也是很常見的一種選擇，但前提是場景條件有利可以接受低一點的精度數據，在需要高動態范圍、寬帶寬或極端溫度的應用情況下，毫無疑問是要使用壓電式加速度計。壓電式加速度計的使用需要注意最大程度降低對外部噪聲和串擾的敏感度。

全球加速度計傳感器發展

根據QYResearch整理的數據，2016至2020年，全球加速度計市場規模以2.28%的年復合增長率到達了20.57億美元，2021年全球市場規模預計在21.62億美元，到2027年將達到27.98億美元。

中國市場的規模增長也很快，預計將由2020年的3.78億美元增長到2027年的5.79億美元，這些增長里同樣是電容式MEMS加速度計占據了絕大多數份額，MEMS電容加速度計更小的尺寸和更高的集成性無疑是更契合現在各行各業傳感器發展趨勢的。集成特性不夠會導致加速度計在傳感器設備集群里很別扭。

絕大部分MEMS加速度計都是集成ADC的，不過有些不帶ADC也會在帶寬上性能做得更高，然后通過外部ADC來保證性能，不管哪種方式都可以和傳感器系統無縫集成。功耗自不必多說，目前電容式MEMS加速度計把功耗控制在μA，甚至nA范圍都是有的。

小結

在振動檢測應用里，傳感器也開始與機器學習結合，利用基于來自加速度計的數據創建代表性的機器模型進行機器學習，進而實現更高級的檢測異常功能。在目前汽車智能化、工業自動化以及消費電子普及化的大趨勢下，MEMS加速度計正在往更高的檢測精度、更低的功耗、更高的集成性以及實現更智能的檢測功能上突破。