最新MEMS電容式加速度計應用於傳統上由壓電加速度計和其他傳感器主導的應用領域。新一代MEMS加速度計可為CBM
、結構健康監控(SHM)、資產健康監控(AHM)、生命體征監測(VSM)和物聯網無線傳感器網絡等應用提供解決方案。然而，在有如此多加速度計和如此多應用的情況下
，選擇合適的加速度計並非易事。

 

尚無行業標準界定加速度計屬於何種類別。加速度計的一般分類及相應的應用如表1所示。所示的帶寬和g值範圍是加速度計用在所列終端應用中的典型值。

 

表1. 加速度計等級和典型應用領域

 

圖1顯示了各種MEMS加速度計的快照，並依據特定應用的主要性能指標和智能/集成水平將各傳感器歸類。本文的一個重要關注對象是基於增強型MEMSjiegouhexinhaochulidexinyidaijiasudujiyijishijieyiliudefengzhuangjishu
，qiwendingxinghezaoshengxingnengkeyugengangguidezhuanmenqijianxiangpimei，ergonghaogengdi。zhexietexingjijiasudujideqitaguanjianguigejiangzaixiawenyijuyingyongxiangguanxingjiayixiangxitaolun。

 

圖1. ADI公司精選MEMS加速度計的應用版圖

 

 

主要標準：偏置穩定度、失調溫漂
、低噪聲、可重複性、振動校 正、跨軸靈敏度。

對MEMS電容式加速度計而言，精確的傾斜檢測是一種要求頗高的應用，尤其是在有振動的情況下。在動態環境中利用MEMS電容式加速度計實現0.1°的傾斜精度非常困難——<1°很困難，>1°較(jiao)易(yi)實(shi)現(xian)。為(wei)使(shi)加(jia)速(su)度(du)計(ji)有(you)效(xiao)測(ce)量(liang)傾(qing)斜(xie)度(du)，必(bi)須(xu)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)性(xing)能(neng)和(he)終(zhong)端(duan)應(ying)用(yong)環(huan)境(jing)有(you)很(hen)好(hao)的(de)了(le)解(jie)。相(xiang)比(bi)於(yu)動(dong)態(tai)環(huan)境(jing)

，靜(jing)態(tai)環(huan)境(jing)對(dui)傾(qing)斜(xie)測(ce)量(liang)更(geng)加(jia)有(you)利(li)
，因(yin)為(wei)振(zhen)動(dong)或(huo)衝(chong)擊(ji)可(ke)能(neng)會(hui)破(po)壞(huai)傾(qing)斜(xie)數(shu)據(ju)，引(yin)起(qi)嚴(yan)重(zhong)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)。傾(qing)斜(xie)測(ce)量(liang)的(de)最(zui)重(zhong)要(yao)特(te)性(xing)有(you)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)失(shi)調(tiao)

、遲滯、低噪聲、短期/長期穩定性、可重複性和良好的振動校正。

 

0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置漂移、PCB外殼對準引起的0 g偏置漂移
、0 g偏置溫度係數、靈敏準確度和溫度係數、非線性度以及跨軸靈敏度等誤差，是可以觀測到的，並且可以通過裝配後校準流程加以降低。遲滯、使用壽命期間的0 g偏置漂移
、使用壽命期間的靈敏度漂移、潮濕引起的0 g漂移
，以及溫度隨時間變化引起的PCB彎曲和扭轉等等，這些誤差項無法通過校準或其他方法解決，需要通過一定程度的原位維修才能減少。

 

ADI公司的加速度計可分為MEMS (ADXLxxx)和iSensor® (ADIS16xxx)特殊用途器件兩類。iSensor或智能傳感器是高集成度（4到10個自由度）且可編程器件

，適用於動態環境下的複雜應用。這些高集成度即插即用解決方案包括全麵的工廠校準、qianrushibuchanghexinhaochuli，jiejueleshangshuxuyaoyuanweiweixiudehenduowucha，dadajiangdileshejiheyanzhengfudan。zhezhongquanmiandegongchangxiaozhunweizhenggechuanganqixinhaoliantigongedingwendufanwei（通常是−40°C至+85°C）內的靈敏度和偏置特性。因此，每個iSensor器件都有其獨特的補償公式，安裝後可產生精確的測量結果。對於一些係統
，工廠校準可免除係統級校準
，大大簡化操作。

 

iSensor器件專門針對某些應用而開發。例如，圖2所示的 ADIS16210 專門針對傾斜應用而設計並定製，因此，它能提供<1°的相對精 度且開箱即用。這主要歸功於集成信號處理和特定器件校準
，以 便實現最佳精度性能。iSensor器件將在穩定性部分進一步討論。

 

圖2. ADIS16210精密三軸傾斜

 

最新一代加速度計架構（例如 ADXL355）提供更多功能（傾斜、狀態監控、結構健康、IMU/AHRS應用）
，包含的集成模塊更少針對特定應用，但功能豐富，如圖3所示。

 

圖3. 低噪聲、低漂移
、低功耗3軸MEMS加速度計ADXL355

 

下麵比較通用加速度計ADXL345和新一代低噪聲、低漂移
、低功耗加速度計ADXL355，後hou者zhe是shi廣guang泛fan應ying用yong的de理li想xiang之zhi選xuan，例li如ru物wu聯lian網wang傳chuan感gan器qi節jie點dian和he傾qing角jiao計ji。這zhe一yi比bi較jiao著zhe眼yan於yu傾qing斜xie應ying用yong中zhong的de誤wu差cha源yuan
，以yi及ji可ke以yi補bu償chang或huo消xiao除chu的de誤wu差cha。表biao2列出了消費級ADXL345加(jia)速(su)度(du)計(ji)理(li)想(xiang)性(xing)能(neng)規(gui)格(ge)及(ji)相(xiang)應(ying)傾(qing)斜(xie)誤(wu)差(cha)的(de)估(gu)算(suan)值(zhi)。試(shi)圖(tu)達(da)到(dao)最(zui)佳(jia)傾(qing)斜(xie)精(jing)度(du)時(shi)，必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)某(mou)種(zhong)形(xing)式(shi)的(de)溫(wen)度(du)穩(wen)定(ding)或(huo)補(bu)償(chang)。在(zai)下(xia)麵(mian)的(de)例(li)子(zi)中(zhong)，假(jia)設(she)恒(heng)溫(wen)為(wei)25°C。無法完全補償的最主要誤差促成因素是溫漂失調
、偏置漂移和噪聲。可以降低帶寬來降低噪聲，因為傾斜應用通常需要低於1 kHz的帶寬。

 

表2. ADXL345誤差源估算值

 

表3列出了適用於ADXL355的相同標準。短期偏置值根據ADXL355數據手冊中的Allan方差圖估算。25°C時，通用ADXL345補償後的估計傾斜精度為0.1°。工業級ADXL355的估計傾斜精度為0.005°。通過比較ADXL345和ADXL355可以看出
，重大誤差貢獻因素引起的誤差已顯著降低，比如噪聲引起的誤差從0.05°降低到0.0045°，偏置漂移引起的誤差從0.057°降低到0.00057°。這表明MEMS電容式加速度計在噪聲和偏置漂移等性能方麵取得了巨大飛躍，在動態條件下能夠提供更高水平的傾斜精度。

 

表3. ADXL355誤差源估算值

 

選擇更高等級的加速度計對於實現所需性能至關重要，特別是應用需要小於1°的傾斜精度時。應用精度取決於應用條件（溫度大幅波動
，振動）和傳感器選擇（消費級與工業級或戰術級）。在這種情況下


，ADXL345將需要大量的補償和校準工作才能實現小於1°的傾斜精度，增加整個係統的工作量和成本。根據最終環境和溫度範圍內的振動大小，甚至不可能實現上述精度。25°C至85°C範圍內的溫度係數失調漂移為1.375°

，已經超過傾斜精度小於1°的要求。

 

 

25°C到85°C範圍內ADXL355的最大溫度係數失調漂移為0.5°。

 

 

ADXL354和ADXL355可重複性（X和Y軸為±3.5 mg/0.2°，Z軸為±9 mg/0.5°）為10年壽命預測值，包括高溫工作壽命測試(HTOL)（TA = 150°C
、VSUPPLY = 3.6 V、1000小時）
、溫度循環（−55°C至+125°C且循環1000次）、速度隨機遊走、寬(kuan)帶(dai)噪(zao)聲(sheng)和(he)溫(wen)度(du)遲(chi)滯(zhi)引(yin)起(qi)的(de)偏(pian)移(yi)。這(zhe)些(xie)新(xin)型(xing)加(jia)速(su)度(du)計(ji)可(ke)在(zai)所(suo)有(you)條(tiao)件(jian)下(xia)提(ti)供(gong)可(ke)重(zhong)複(fu)的(de)傾(qing)斜(xie)測(ce)量(liang)
，在(zai)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing)中(zhong)無(wu)需(xu)進(jin)行(xing)大(da)量(liang)校(xiao)準(zhun)即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)最(zui)小(xiao)傾(qing)斜(xie)誤(wu)差(cha)，而(er)且(qie)能(neng)最(zui)大(da)程(cheng)度(du)減(jian)少(shao)部(bu)署(shu)後(hou)的(de)校(xiao)準(zhun)需(xu)要(yao)。ADXL354和ADXL355加速度計能以0.15 mg/°C（最大值）的零失調係數保證溫度穩定性。這種穩定性最大程度地減少了校準和測試相關的資源和成本開銷，幫助設備OEM製造商實現更高的吞吐速率。此外，產品采用密封封裝，可以確保最終產品出廠後重複性與穩定性始終符合其規格參數。

 

通常，數據手冊上不會顯示可重複性和對振動校正誤差(VRE)的抑製能力，因為這些參數可能暴露產品性能較低。例如
，ADXL345是一款針對消費類應用的通用加速度計，VRE不是設計人員的重要關注參數。然而，在慣性導航等高要求應用、傾斜應用或振動頻繁的特定環境中
，對VRE的抑製能力可能是設計人員的重點關注對象，因此ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357 數據手冊會 給出此類參數。

 

如表4所示
，VRE是加速度計暴露於寬帶振動時引入的失調誤差。當加速度計暴露於振動環境時，相比溫漂和噪聲導致的0 g失調
，VRE在傾斜測量中會導致明顯誤差。這是不再使用數據手冊的主要原因之一，因為很容易掩蓋其他主要規格。

 

VRE是加速度計對交流振動（被整流為直流）的de響xiang應ying。這zhe些xie直zhi流liu整zheng流liu的de振zhen動dong可ke能neng會hui使shi加jia速su度du計ji失shi調tiao發fa生sheng偏pian移yi，引yin起qi嚴yan重zhong誤wu差cha，尤you其qi是shi在zai目mu標biao信xin號hao為wei直zhi流liu輸shu出chu的de傾qing斜xie應ying用yong中zhong。直zhi流liu失shi調tiao的de任ren何he小xiao變bian化hua都dou可ke能neng被bei解jie釋shi為wei傾qing角jiao變bian化hua
，導dao致zhi係xi統tong級ji誤wu差cha。

 

表4. 以傾斜度表示的誤差

1 2.5g rms振動引起的1g方位失調的範圍為±2g。

 

各種諧振和加速度計（本例為ADXL355）中的濾波器均可能引起VRE
，因為VRE對頻率有很強的依賴性。這些諧振會放大振動
，放大倍數等於諧振的Q因數，而在較高頻率時會抑製振動
，原因是諧振器存在二階偶極子響應。傳感器的諧振品質因數越高，振動幅度越大，其VRE也就越大。較大測量帶寬會將高頻帶內振動包含在內，引起較高的VRE
，如圖4所示。為加速度計選擇合適的帶寬以抑製高頻振動
，可以避免很多振動相關問題。1

 

圖4. 在不同帶寬進行的ADXL355 VRE測試

 

靜態傾斜測量通常需要±1g到±2g的低g加速度計

，帶寬小於1.5 kHz。模擬輸出ADXL354和數字輸出ADXL355均為低噪聲密度(分別為20 μg√Hz和25 μg√Hz）、低0g失調漂移
、低功耗三軸加速度計，集成溫度傳感器，測量範圍可選，如表5所示。

 

表5. ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357測量範圍

 

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357采用密封封裝，有助於實現出色的長期穩定性。性能提升與封裝通常是正相關
，如圖5所示。封裝常常被忽視
，其實製造商可以利用封裝來實現更好的穩定和漂移性能。這是ADI公司的一個重點關注方麵，我們提供類型廣泛的傳感器封裝以適應不同的應用領域。

 

 

在適合高溫或惡劣環境的加速度計可用之前，一些設計人員曾不得不將標準溫度IC用(yong)在(zai)遠(yuan)超(chao)出(chu)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)限(xian)值(zhi)的(de)情(qing)形(xing)中(zhong)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)須(xu)承(cheng)擔(dan)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)檢(jian)驗(yan)器(qi)件(jian)質(zhi)量(liang)的(de)責(ze)任(ren)和(he)風(feng)險(xian)
，成(cheng)本(ben)高(gao)昂(ang)且(qie)頗(po)費(fei)時(shi)間(jian)。密(mi)封(feng)封(feng)裝(zhuang)能(neng)夠(gou)耐(nai)受(shou)高(gao)溫(wen)已(yi)是(shi)廣(guang)為(wei)人(ren)知(zhi)的(de)事(shi)實(shi)
，它(ta)通(tong)過(guo)一(yi)道(dao)能(neng)抵(di)禦(yu)濕(shi)氣(qi)和(he)汙(wu)染(ran)的(de)屏(ping)障(zhang)來(lai)防(fang)止(zhi)腐(fu)蝕(shi)。ADI公司提供各類密封器件，這些器件具有增強的溫度穩定性和性能。ADI公gong司si還hai大da力li研yan究jiu了le塑su料liao封feng裝zhuang在zai高gao溫wen下xia的de性xing能neng，尤you其qi是shi引yin線xian框kuang架jia和he引yin腳jiao適shi應ying高gao溫wen焊han接jie工gong藝yi的de能neng力li，使shi其qi在zai高gao衝chong擊ji和he振zhen動dong環huan境jing中zhong牢lao固gu可ke靠kao。因yin此ci，ADI公司提供18款額定溫度範圍為−40°C至+125°C的加速度計，包括 ADXL206, ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357, ADXL1001/ADXL1002, ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大部分競爭對手未提 供能在−40°C至+125°C溫度範圍內或惡劣環境條件下（例如重工業機械和井下鑽探）工作的MEMS電容式加速度計。

 

圖5. 高級封裝技術和校準帶來性能提升的示例

 

在溫度超過125°C的惡劣環境中進行傾斜測量是極具挑戰性的工作。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
，適用於高溫和惡劣環境

，例如井下鑽探。該器件采用13 mm × 8 mm × 2 mm側麵釺焊
、陶瓷
、雙列直插式封裝，支持−40°C至+175°C的環境溫度範圍
，超過175°C時性能會下降，但100%可恢複。

 

在有振動的動態環境中（例如農用設備或無人機）進行傾斜測量，需要g值範圍較高的加速度計，比如ADXL356/ADXL357。有限g值範圍的加速度計測量可能會削波，導致輸出失調增加。引起削波的原因可能是靈敏軸在1 g重力場中，或者是發生上升時間快但衰減慢的衝擊。較高的g值範圍可減少加速度計削波，從而降低失調，在動態應用中提供更好的傾斜精度。

 

圖6所示為ADXL356 Z軸的g值範圍有限的測量，此測量範圍中已經存在1g。圖7所示為同一測量，但g值範圍從±10 g擴展到±40g。可以清楚看到
，加速度計的g值範圍擴展顯著降低了削波引起的失調。

 

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357提供出色的振動校正、長期重複性和低噪聲性能

，而且尺寸很小
，非常適合靜態和動態環境中的傾斜檢測應用。

 

圖6. ADXL356 VRE，Z軸相對於1 g的失調
，±10 g範圍，Z軸方向 = 1 g

 

圖7. ADXL356 VRE，Z軸相對於1 g的失調
，±40 g範圍，Z軸方向 = 1 g

 

 

主要標準：噪聲密度
、速度隨機遊走
、運動中偏置穩定度
、偏置重複性和帶寬。

檢測並了解運動可以給許多應用帶來好處。掌控一個係統發生的運動

，然後利用該信息提高性能（縮短響應時間

、提高精度、加快運行速度）
，增強安全性或可靠性（係統在危險情況下關機）
，或者獲得其他增值特性，是很有益的。由於運動的複雜性，有大量穩定性應用需要綜合運用陀螺儀和加速度計（傳感器融合
，如圖8所示），例如UAV監控設備和船上天線指向係統等。2

 

圖8. 6自由度IMU

 

6自由度IMUshiyongduogechuanganqi，yibianmibubicideruodian。kanqilaixiangshiyigehuolianggezhoushangdejiandanguanxingyundong，shijikenengxuyaojiasudujihetuoluoyichuanganqironghe，mudeshixiaochuzhendong
、zhongliheqitadanpingjiasudujihuotuoluoyiwufazhunqueceliangdeyingxiangyinsu。jiasudujishujubaokuozhonglifenliangheyundongjiasudu。erzhewufaqufen，dankeliyongtuoluoyijiangzhonglifenliangcongjiasudujishuchuzhongquchu。weilegenjujiasuduquedingweizhi，xuyaojinxingjifen，zaiciguochengzhihou
，jiasudujishujudezhonglifenliangyinqidewuchakenenghuikuaisubianda。youyuleijiwucha
，jinpingtuoluoyibuzuyiquedingweizhi。tuoluoyibujiancezhongli

，yincikeyongzuojiasudujidefuzhuchuanganqi。

 

在穩定性應用中
，MEMS傳感器必須精確測量平台方位
，特別是在運動時。圖9是一個采用伺服電機校正角向運動的典型平台穩定係統的框圖。反饋/伺服電機控製器將方向傳感器數據轉換為伺服電機的校正控製信號。

 

圖9. 基本平台穩定係統3

 

最終應用將決定所需的精度水平，而所選的傳感器質量（消費級還是工業級）將決定其能否實現。區分消費級器件和工業級器件很重要，有時候二者的區別很微妙，可能需要仔細考慮。表6顯示了消費級加速度計和IMU中集成的中檔工業級加速度計的主要區別。

 

表6. 工業MEMS器件對所有已知潛在誤差源進行全麵測定
，精度水平比消費級器件高出一個數量級以上2

 

在zai某mou些xie條tiao件jian有you利li且qie可ke接jie受shou較jiao低di精jing度du數shu據ju的de情qing況kuang下xia，使shi用yong低di精jing度du器qi件jian便bian可ke滿man足zu性xing能neng需xu要yao。然ran而er
，對dui能neng在zai動dong態tai環huan境jing中zhong工gong作zuo的de傳chuan感gan器qi需xu求qiu迅xun速su增zeng長chang，較jiao低di精jing度du器qi件jian由you於yu不bu能neng降jiang低di實shi際ji測ce量liang中zhong的de振zhen動dong效xiao應ying或huo溫wen度du效xiao應ying而er大da受shou影ying響xiang，很hen難nan達da到dao小xiao於yu3°至5°的指向精度。多數低端消費級器件未提供諸如振動校正、角度隨機遊走之類的參數規格
，而這些規格在工業應用中恰恰可能是最大的誤差源。

 

為了在動態環境中達到1°甚至0.1°的指向精度
，設計人員的器件選擇必須聚焦於傳感器抑製溫漂誤差和振動影響的能力。傳感器濾波和算法（傳感器融合）雖然是提升性能的關鍵要素，但無法消除消費級與工業級傳感器的差距。ADI公司新型工業IMU的性能接近於上一代導彈製導係統所用的產品。諸如ADIS1646x和已宣布的ADIS1647x等器件以標準和迷你IMU外形尺寸提供精密運動檢測，打進過去的特殊應用領域。

 

本文第二部分將繼續探討MEMS加速度計的重要工作特性，以及它們與可穿戴設備、狀態監控
、物聯網、結構健康監控和資產健康監控等應用領域的關係。

 

 

1. Long Pham and Anthony DeSimone. “MEMS加速度計的振動校正” ADI公司
，2017年。

 

2. Bob Scannell. “高性能慣性傳感器助力運動物聯網” ADI公司

，2017年。

 

3. Mark Looney. “分析穩定係統中的慣性MEMS的頻率響應” 《模擬對話》，第46卷，2012年。