优化高精度倾斜角度感应：加速度计基本原理

加速度计是一种神奇的传感器，可以感知各种各样的静态和动态加速度，从相对于重力的方向到开始倒塌的桥梁的细微运动。这些传感器范围很广，从手机级(当您倾斜显示屏时会改变显示屏的方向)到出口管制、战术级(有助于导航军用车辆或航天器)的设备。但是，与大多数传感器一样，传感器在实验室或台式机上表现良好是一回事。面对狂野和不受控制的环境和温度压力，在系统级获得良好的性能则完全是另一回事。当加速度计像人类一样在其生命周期中经历前所未有的压力时，系统可能会因这些压力的影响而做出反应并失败。

高精度倾斜传感系统通常经过校准，以实现优于 1° 的倾斜精度。利用市场领先的超低噪声和高稳定性加速度计(例如 ADXL354或ADXL355 )，在对可观察的误差源进行适当校准的情况下，可以实现 0.005° 的倾斜精度。但是，只有适当减轻应力才能实现这种精度水平。例如，传感器上的压缩/拉伸应力可能导致高达 20 mg 的偏移，从而导致超过 1° 的倾斜误差。

本系列文章回顾了使用加速度计的高精度角度/倾斜传感系统的性能指标。本文首先从微观层面了解传感器设计本身，以便更好地了解应力和应变对微米级的影响。在另一篇文章中，我们将介绍如果不采用整体机械和物理设计方法，可能会发生的一些令人惊讶的结果。最后，我们将以设计人员可以采取的切实步骤结束本系列，以在最苛刻的应用中最大限度地提高性能。

传感器设计基础

基于 MEMS 的加速度计的价格和性能范围广泛，从消费产品到军用传感。如今，性能最佳的低噪声加速度计可实现精密倾斜传感、地震成像等应用，以及机器人和平台稳定等许多新兴应用。高精度倾斜/角度传感应用的重要功能包括出色的噪声、偏移、重复性和温度相关偏移，以及振动校正和跨轴灵敏度等二阶效应。

为了更好地理解 3 轴高精度 MEMS 加速度计的最佳性能设计考虑因素，首先回顾一下这种传感器的内部结构是很有教育意义的，这将阐明三个轴对环境参数(例如，平面外应力)产生不同响应的原因。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 所示的加速度计由弹簧质量系统组成，与许多其他 MEMS 加速度计类似。质量响应外部加速度(静态加速度，如重力或动态加速度，如速度变化)而移动，其物理位移由传感机制感测。

图 1. 3 轴高精度 MEMS 加速度计的传感器架构，具体为 Analog Devices 的 ADXL355。对于 X/Y 传感器，随着检测质量移动，固定手指与连接到检测质量的手指之间的电容会发生变化。z 轴传感器上的质量不平衡允许对 z 轴加速度进行平面外感测。

MEMS 传感器中最常见的传导机制是电容式、压阻式、压电式或磁性。像 ADXL355 这样的加速度计采用电容式传导机制，通过电容变化来感测运动，然后通过读出电路将其转换为电压或电流输出。尽管 ADXL355 对硅片上的所有三个轴传感器都采用了电容式传导机制，但 X/Y 传感器和 Z 传感器具有两种根本不同的电容式传感架构。X/Y 传感器基于差分平面内手指，而 Z 传感器是平面外平行板电容式传感器，如图 1 所示。

如果传感器上有压缩或拉伸应力，MEMS 芯片就会弯曲。由于质量块通过弹簧悬挂在基板上方，因此不会与基板一起弯曲，因此质量块和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，因为平面内位移对手指电容变化的影响最大。这是由于边缘电场的补偿效应。然而，对于 Z 传感器，基板和质量块之间的间隙实际上是感应间隙。因此，它对 Z 传感器有直接影响，因为它有效地改变了 Z 传感器的感应间隙。另一个加剧的影响是 Z 传感器位于芯片的中心，当芯片受到任何给定的应力时，翘曲都会达到最大。

除了物理应力之外，由于大多数应用中 z 轴的热传递不对称，z 轴传感器上的温度梯度也很常见。在典型应用中，传感器焊接到印刷电路板 (PCB) 上，整个系统位于封装内。X 和 Y 方向的热传递主要通过封装周边焊点和对称的 PCB 进行传导。然而，在 z 方向上，热传递是通过焊料在底部传导，以及随着热量通过空气并流出封装，芯片顶部发生对流。由于这种不匹配，z 轴上将存在残余的差分温度梯度。与物理压缩/拉伸应力一样，这将导致 z 轴偏移，而这种偏移不是由加速度引起的。