加速度計(jì)是一種神奇的傳感器，可以感知各種各樣的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度，從相對(duì)于重力的方向到開(kāi)始倒塌的橋梁的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。這些傳感器范圍很廣，從手機(jī)級(jí)(當(dāng)您傾斜顯示屏?xí)r會(huì)改變顯示屏的方向)到出口管制、戰(zhàn)術(shù)級(jí)(有助于導(dǎo)航軍用車(chē)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(shí)驗(yàn)室或臺(tái)式機(jī)上表現(xiàn)良好是一回事。面對(duì)狂野和不受控制的環(huán)境和溫度壓力，在系統(tǒng)級(jí)獲得良好的性能則完全是另一回事。當(dāng)加速度計(jì)像人類(lèi)一樣在其生命周期中經(jīng)歷前所未有的壓力時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)因這些壓力的影響而做出反應(yīng)并失敗。

高精度傾斜傳感系統(tǒng)通常經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 1° 的傾斜精度。利用市場(chǎng)領(lǐng)先的超低噪聲和高穩(wěn)定性加速度計(jì)(例如 ADXL354或ADXL355 )，在對(duì)可觀察的誤差源進(jìn)行適當(dāng)校準(zhǔn)的情況下，可以實(shí)現(xiàn) 0.005° 的傾斜精度。但是，只有適當(dāng)減輕應(yīng)力才能實(shí)現(xiàn)這種精度水平。例如，傳感器上的壓縮/拉伸應(yīng)力可能導(dǎo)致高達(dá) 20 mg 的偏移，從而導(dǎo)致超過(guò) 1° 的傾斜誤差。

本系列文章回顧了使用加速度計(jì)的高精度角度/傾斜傳感系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文首先從微觀層面了解傳感器設(shè)計(jì)本身，以便更好地了解應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)微米級(jí)的影響。在另一篇文章中，我們將介紹如果不采用整體機(jī)械和物理設(shè)計(jì)方法，可能會(huì)發(fā)生的一些令人驚訝的結(jié)果。最后，我們將以設(shè)計(jì)人員可以采取的切實(shí)步驟結(jié)束本系列，以在最苛刻的應(yīng)用中最大限度地提高性能。

傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

基于 MEMS 的加速度計(jì)的價(jià)格和性能范圍廣泛，從消費(fèi)產(chǎn)品到軍用傳感。如今，性能最佳的低噪聲加速度計(jì)可實(shí)現(xiàn)精密傾斜傳感、地震成像等應(yīng)用，以及機(jī)器人和平臺(tái)穩(wěn)定等許多新興應(yīng)用。高精度傾斜/角度傳感應(yīng)用的重要功能包括出色的噪聲、偏移、重復(fù)性和溫度相關(guān)偏移，以及振動(dòng)校正和跨軸靈敏度等二階效應(yīng)。

為了更好地理解 3 軸高精度 MEMS 加速度計(jì)的最佳性能設(shè)計(jì)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(gè)軸對(duì)環(huán)境參數(shù)(例如，平面外應(yīng)力)產(chǎn)生不同響應(yīng)的原因。在許多情況下，這種平面外應(yīng)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(jì)由彈簧質(zhì)量系統(tǒng)組成，與許多其他 MEMS 加速度計(jì)類(lèi)似。質(zhì)量響應(yīng)外部加速度(靜態(tài)加速度，如重力或動(dòng)態(tài)加速度，如速度變化)而移動(dòng)，其物理位移由傳感機(jī)制感測(cè)。

圖 1. 3 軸高精度 MEMS 加速度計(jì)的傳感器架構(gòu)，具體為 Analog Devices 的 ADXL355。對(duì)于 X/Y 傳感器，隨著檢測(cè)質(zhì)量移動(dòng)，固定手指與連接到檢測(cè)質(zhì)量的手指之間的電容會(huì)發(fā)生變化。z 軸傳感器上的質(zhì)量不平衡允許對(duì) z 軸加速度進(jìn)行平面外感測(cè)。

MEMS 傳感器中最常見(jiàn)的傳導(dǎo)機(jī)制是電容式、壓阻式、壓電式或磁性。像 ADXL355 這樣的加速度計(jì)采用電容式傳導(dǎo)機(jī)制，通過(guò)電容變化來(lái)感測(cè)運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)讀出電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。盡管 ADXL355 對(duì)硅片上的所有三個(gè)軸傳感器都采用了電容式傳導(dǎo)機(jī)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(yīng)力，MEMS 芯片就會(huì)彎曲。由于質(zhì)量塊通過(guò)彈簧懸掛在基板上方，因此不會(huì)與基板一起彎曲，因此質(zhì)量塊和基板之間的間隙會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于 X/Y 傳感器，間隙不在電容靈敏度方向上，因?yàn)槠矫鎯?nèi)位移對(duì)手指電容變化的影響最大。這是由于邊緣電場(chǎng)的補(bǔ)償效應(yīng)。然而，對(duì)于 Z 傳感器，基板和質(zhì)量塊之間的間隙實(shí)際上是感應(yīng)間隙。因此，它對(duì) Z 傳感器有直接影響，因?yàn)樗行У馗淖兞?Z 傳感器的感應(yīng)間隙。另一個(gè)加劇的影響是 Z 傳感器位于芯片的中心，當(dāng)芯片受到任何給定的應(yīng)力時(shí)，翹曲都會(huì)達(dá)到最大。

除了物理應(yīng)力之外，由于大多數(shù)應(yīng)用中 z 軸的熱傳遞不對(duì)稱(chēng)，z 軸傳感器上的溫度梯度也很常見(jiàn)。在典型應(yīng)用中，傳感器焊接到印刷電路板 (PCB) 上，整個(gè)系統(tǒng)位于封裝內(nèi)。X 和 Y 方向的熱傳遞主要通過(guò)封裝周邊焊點(diǎn)和對(duì)稱(chēng)的 PCB 進(jìn)行傳導(dǎo)。然而，在 z 方向上，熱傳遞是通過(guò)焊料在底部傳導(dǎo)，以及隨著熱量通過(guò)空氣并流出封裝，芯片頂部發(fā)生對(duì)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(yīng)力一樣，這將導(dǎo)致 z 軸偏移，而這種偏移不是由加速度引起的。