加速度計是一種神奇的傳感器，可以感知各種各樣的靜態(tài)和動態(tài)加速度，從相對于重力的方向到開始倒塌的橋梁的細微運動。這些傳感器范圍很廣，從手機級(當您傾斜顯示屏時會改變顯示屏的方向)到出口管制、戰(zhàn)術(shù)級(有助于導航軍用車輛或航天器)的設(shè)備。但是，與大多數(shù)傳感器一樣，傳感器在實驗室或臺式機上表現(xiàn)良好是一回事。面對狂野和不受控制的環(huán)境和溫度壓力，在系統(tǒng)級獲得良好的性能則完全是另一回事。當加速度計像人類一樣在其生命周期中經(jīng)歷前所未有的壓力時，系統(tǒng)可能會因這些壓力的影響而做出反應并失敗。
高精度傾斜傳感系統(tǒng)通常經(jīng)過校準，以實現(xiàn)優(yōu)于 1° 的傾斜精度。利用市場領(lǐng)先的超低噪聲和高穩(wěn)定性加速度計(例如 ADXL354或ADXL355 )，在對可觀察的誤差源進行適當校準的情況下，可以實現(xiàn) 0.005° 的傾斜精度。但是，只有適當減輕應力才能實現(xiàn)這種精度水平。例如，傳感器上的壓縮/拉伸應力可能導致高達 20 mg 的偏移，從而導致超過 1° 的傾斜誤差。
本系列文章回顧了使用加速度計的高精度角度/傾斜傳感系統(tǒng)的性能指標。本文首先從微觀層面了解傳感器設(shè)計本身，以便更好地了解應力和應變對微米級的影響。在另一篇文章中，我們將介紹如果不采用整體機械和物理設(shè)計方法，可能會發(fā)生的一些令人驚訝的結(jié)果。最后，我們將以設(shè)計人員可以采取的切實步驟結(jié)束本系列，以在最苛刻的應用中最大限度地提高性能。
傳感器設(shè)計基礎(chǔ)
基于 MEMS 的加速度計的價格和性能范圍廣泛，從消費產(chǎn)品到軍用傳感。如今，性能最佳的低噪聲加速度計可實現(xiàn)精密傾斜傳感、地震成像等應用，以及機器人和平臺穩(wěn)定等許多新興應用。高精度傾斜/角度傳感應用的重要功能包括出色的噪聲、偏移、重復性和溫度相關(guān)偏移，以及振動校正和跨軸靈敏度等二階效應。
為了更好地理解 3 軸高精度 MEMS 加速度計的最佳性能設(shè)計考慮因素，首先回顧一下這種傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是很有教育意義的，這將闡明三個軸對環(huán)境參數(shù)(例如，平面外應力)產(chǎn)生不同響應的原因。在許多情況下，這種平面外應力是由傳感器 z 軸上的溫度梯度引起的。
圖 1 所示的加速度計由彈簧質(zhì)量系統(tǒng)組成，與許多其他 MEMS 加速度計類似。質(zhì)量響應外部加速度(靜態(tài)加速度，如重力或動態(tài)加速度，如速度變化)而移動，其物理位移由傳感機制感測。
圖 1. 3 軸高精度 MEMS 加速度計的傳感器架構(gòu)，具體為 Analog Devices 的 ADXL355。對于 X/Y 傳感器，隨著檢測質(zhì)量移動，固定手指與連接到檢測質(zhì)量的手指之間的電容會發(fā)生變化。z 軸傳感器上的質(zhì)量不平衡允許對 z 軸加速度進行平面外感測。
MEMS 傳感器中最常見的傳導機制是電容式、壓阻式、壓電式或磁性。像 ADXL355 這樣的加速度計采用電容式傳導機制，通過電容變化來感測運動，然后通過讀出電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。盡管 ADXL355 對硅片上的所有三個軸傳感器都采用了電容式傳導機制，但 X/Y 傳感器和 Z 傳感器具有兩種根本不同的電容式傳感架構(gòu)。X/Y 傳感器基于差分平面內(nèi)手指，而 Z 傳感器是平面外平行板電容式傳感器，如圖 1 所示。
如果傳感器上有壓縮或拉伸應力，MEMS 芯片就會彎曲。由于質(zhì)量塊通過彈簧懸掛在基板上方，因此不會與基板一起彎曲，因此質(zhì)量塊和基板之間的間隙會發(fā)生變化。對于 X/Y 傳感器，間隙不在電容靈敏度方向上，因為平面內(nèi)位移對手指電容變化的影響最大。這是由于邊緣電場的補償效應。然而，對于 Z 傳感器，基板和質(zhì)量塊之間的間隙實際上是感應間隙。因此，它對 Z 傳感器有直接影響，因為它有效地改變了 Z 傳感器的感應間隙。另一個加劇的影響是 Z 傳感器位于芯片的中心，當芯片受到任何給定的應力時，翹曲都會達到最大。
除了物理應力之外，由于大多數(shù)應用中 z 軸的熱傳遞不對稱，z 軸傳感器上的溫度梯度也很常見。在典型應用中，傳感器焊接到印刷電路板 (PCB) 上，整個系統(tǒng)位于封裝內(nèi)。X 和 Y 方向的熱傳遞主要通過封裝周邊焊點和對稱的 PCB 進行傳導。然而，在 z 方向上，熱傳遞是通過焊料在底部傳導，以及隨著熱量通過空氣并流出封裝，芯片頂部發(fā)生對流。由于這種不匹配，z 軸上將存在殘余的差分溫度梯度。與物理壓縮/拉伸應力一樣，這將導致 z 軸偏移，而這種偏移不是由加速度引起的。
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