为您的应用选择最合适的MEMS加速度计

加速度计能够测量加速度、倾斜度、振动或冲击，因此可用于从可穿戴健身设备到工业平台稳定系统的各种应用。有数百种零件可供选择，成本和性能差异很大。本文第 1 部分讨论了设计人员需要了解的关键参数和特性，以及它们与倾斜和稳定应用的关系，从而帮助设计人员选择最合适的加速度计。第 2 部分将重点介绍可穿戴设备、状态监控 （CBM） 和物联网应用。

最新的MEMS电容式加速度计正在应用于传统上由压电加速度计和其他传感器主导的应用。煤层气、结构健康监测（SHM）、资产健康监测（AHM）、生命体征监测（VSM）和物联网无线传感器网络等应用是下一代MEMS传感器提供解决方案的领域。然而，有这么多的加速度计和如此多的应用，选择合适的加速度计很容易变得混乱。

没有行业标准来定义加速度计适合的类别。加速度计通常分为几类，相应的应用如表1所示。所示的带宽和g范围值是所列最终应用中使用的加速度计的典型值。

 

加速度计等级	主要用途	带宽	克-范围
消费者	运动、静态加速度	0赫兹	1 克
汽车	碰撞/稳定性	100赫兹	<200 克/2 克
工业	平台稳定性/倾斜度	5 赫兹至 500 赫兹	25 克
战术的	武器/飞船导航	<1 千赫	8 克
导航	潜艇/船只导航	>300赫兹	15 克

 

图1显示了一系列MEMS加速度计的快照，并根据特定应用的关键性能指标和智能/集成度对每个传感器进行了分类。本文重点关注基于增强型MEMS结构和信号处理的下一代加速度计，以及世界一流的封装技术，其稳定性和噪声性能可与更昂贵的利基器件相媲美，同时功耗更低。根据应用程序的相关性，以下各节将更详细地讨论这些属性和其他关键加速度计规范。

图1.ADI公司MEMS加速度计系列的应用前景。

倾斜或倾斜感应

关键标准：偏置稳定性、温度偏移、低噪声、可重复性、振动校正、跨轴灵敏度。

精确的倾斜或倾斜检测是MEMS电容式加速度计的一个苛刻的应用，特别是在存在振动的情况下。使用MEMS电容式加速度计在动态环境中实现0.1°的倾斜精度是非常困难的——<1°是困难的，>1°是非常可以实现的。为了使加速度计能够有效地测量倾斜或倾斜度，必须充分了解传感器性能和最终应用环境。与动态环境相比，静态环境为测量倾斜提供了更好的条件，因为振动或冲击会破坏倾斜数据并导致测量中的重大误差。测量倾斜最重要的规格是温度系数偏移、滞后、低噪声、短期/长期稳定性、可重复性和良好的振动校正。

零g偏置精度、焊接引起的零g偏置偏移、PCB外壳对准引起的零g偏置偏移、零g偏置温度系数、灵敏度精度和温度系数、非线性和跨轴灵敏度等误差是可以观察到的，可以通过组装后校准过程来减少。其他误差术语，如迟滞、寿命范围内的零g偏置偏移、寿命范围内的灵敏度偏移、湿度引起的零g偏移以及温度随时间变化引起的PCB弯曲和扭曲，无法在校准中解决，否则它们需要一定程度的现场维修才能减少。

ADI公司的加速度计系列可分为MEMS （ADXLxxx）和i传感器（ADIS16xxx）专用器件。我传感器或智能传感器是高度集成（4°至10°自由度）和可编程部件，用于动态条件下的复杂应用。这些高度集成的即插即用解决方案包括完整的工厂校准、嵌入式补偿和信号处理，解决了上述现场服务中的许多错误，并大大减轻了设计和验证负担。这种广泛的工厂校准表征了整个传感器信号链在指定温度范围内（典型值为−40°C至+85°C）的灵敏度和偏置。 因此，每个i传感器部件都有自己独特的校正公式，以便在安装时产生准确的测量结果。对于某些系统，工厂校准消除了对系统级校准的需求，并大大简化了其他系统的校准。®

我传感器部件专门针对某些应用。例如，图2所示的ADIS16210专为倾斜应用而设计和定制，因此可提供开箱即用的<1°相对精度。这在很大程度上取决于集成的信号处理和单元特定校准，以实现最佳精度性能。我传感器将在稳定部分进一步讨论。

图2.ADIS16210精密三轴倾角。

ADXL355等最新一代加速度计架构的通用性更强（倾斜度、状态监测、结构健康、IMU/AHRS应用），并且包含较少的应用特定，但仍具有丰富的集成模块，如图3所示。

图3.ADXL355 低噪声、低漂移、低功耗、3轴MEMS加速度计。

以下部分比较了通用加速度计ADXL345与下一代低噪声、低漂移和低功耗加速度计ADXL355，后者非常适合用于各种应用，如物联网传感器节点和倾角计。此比较着眼于倾斜应用中的误差源以及可以补偿或消除的误差。表2显示了消费级ADXL345加速度计理想性能规格和相应倾斜误差的估计值。当试图达到最佳的倾斜精度时，必须应用某种形式的温度稳定或补偿。在本例中，假设恒温为 25°C。无法完全补偿的最大误差因素是温度失调、偏置漂移和噪声。可以降低带宽以降低噪声，因为倾斜应用通常需要低于1 kHz的带宽。

 

传感器参数	性能	状况/注意事项	典型应用误差 g 倾斜 °
噪声	X/Y 轴 290 μ克/√（赫兹）	6.25 Hz 时的带宽	0.9 米克	0.05°
偏置漂移	艾伦偏差	X/Y 轴短期（例如，10 天）	1 米克	0.057°
初始偏移量	35 米克	无补偿	35 米克	2°
		有偿	0 米克	0°
错误	无补偿	6.25 Hz 带宽	36.9 米克	2.1°
错误	有偿	6.25 Hz 带宽	1.9 米克	0.1°

 

表3显示了ADXL355的相同标准。短期偏置值是根据ADXL355数据手册中的根艾伦方差图估算的。在25°C时，通用ADXL345的补偿倾斜精度估计为0.1°。对于工业级ADXL355，估计倾斜精度为0.005°。比较ADXL345和ADXL355可以看出，噪声等大误差贡献因素分别从0.05°显著降低到0.0045°，偏置漂移从0.057°显著降低到0.00057°。这表明MEMS电容式加速度计在噪声和偏置漂移方面的性能有了巨大的飞跃，在动态条件下实现了更高水平的倾斜精度。

 

传感器参数	性能	状况/注意事项	典型应用误差 g 倾斜 °
噪声	25 μ克/√（赫兹）	6.25 Hz 时的 带宽	78 μ克	0.0045°
偏置漂移	艾伦偏差	X/Y 轴短期（例如，10 天）	<10 μ克	0.00057°
初始偏移量	25 米克	无补偿	25 米克	1.43°
		有偿	0 米克	0°
总误差	无补偿	6.25 Hz 带宽	25 米克	1.43°
总误差	有偿	6.25 Hz 带宽	88 μ克	0.005°

 

选择更高等级的加速度计对于实现所需性能至关重要，特别是当您的应用要求低于 1° 的倾斜精度时。应用精度可能因应用条件（较大的温度波动、振动）和传感器选择（消费级与工业级或战术级）而异。在这种情况下，ADXL345需要大量的补偿和校准工作才能实现<1°的倾斜精度，从而增加了整体系统工作量和成本。根据最终环境和温度范围的振动幅度，这甚至可能无法实现。在 25°C 至 85°C 的温度范围内，温度系数偏移漂移为 1.375°，已经超过了倾斜精度低于 1° 的要求。

对于ADXL355，25°C至85°C的最大温度系数失调漂移为0.5°。

ADXL354和ADXL355的重复性（X和Y为±3.5 m g/0.2°，Z为±Z为9 mg/0.5°）的使用寿命为10年，包括高温工作寿命测试（HTOL）（T一个= 150°C， V供应= 3.6 V和1000小时）、温度循环（−55°C至+125°C和1000次循环）、速度随机游走、宽带噪声和温度迟滞。通过在所有条件下提供可重复的倾斜测量，这些新型加速度计无需在恶劣环境中进行大量校准即可实现最小的倾斜误差，并最大限度地减少部署后校准的需求。ADXL354和ADXL355加速度计提供有保证的温度稳定性，零点偏移系数为0.15 mg/°C（最大值）。这种稳定性最大限度地减少了与校准和测试工作相关的资源和费用，有助于为 OEM 实现更高的吞吐量。此外，密封封装有助于确保最终产品在出厂后很长时间内符合其可重复性和稳定性规格。

通常，数据手册上未显示可重复性和抗振动校正误差（VRE），因为这是性能较低的潜在指标。例如，ADXL345是一款通用加速度计，面向VRE不是设计人员重点关注的消费类应用。然而，在惯性导航、倾角应用或振动密集的特定环境中，VRE抗扰度可能是设计人员最关心的问题，因此，ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357数据手册中都包含VRE。

如表4所示，VRE是加速度计暴露于宽带振动时引入的失调误差。当加速度计暴露于振动时，VRE在倾斜测量中会产生显着误差，而温度和噪声贡献的偏移为0 g。这是它被排除在数据手册之外的关键原因之一，因为它很容易使其他关键规格黯然失色。

VRE是加速度计对直流振动的响应。这些直流整流振动会改变加速度计的偏移，导致重大误差，特别是在目标信号为直流输出的倾斜应用中。直流失调的任何微小变化都可以解释为倾斜度的变化，并导致系统级误差。

 

部分	最大倾斜误差 0 g 偏移量与温度 的关系 （°/°C）	噪声密度 （°/√（赫兹））	振动校正（°/g2均方根）
ADXL354	0.0085	0.0011	0.0231
ADXL355	0.0085	0.0014	0.0231
1±1 g 方向的 2 g 范围，由于 2.5 g rms 振动而偏移。

 

VRE可能由加速度计（在本例中为ADXL355）中的各种谐振和滤波器引起，因为VRE对频率具有很强的依赖性。振动被这些共振放大了等于共振Q系数的系数，并将抑制更高频率的振动，由于2德·谐振器的 2 极响应顺序。传感器的Q因子共振越大，由于振动放大较大，VRE越大。较大的测量带宽会导致高频带内振动的积分，从而导致更高的VRE，如图4所示。通过为加速度计选择合适的带宽来抑制高频振动，可以避免许多与振动相关的问题。1

图4.ADXL355 VRE在不同带宽下进行测试。

静态倾斜测量通常需要±1 g至±2 g左右的低g加速度计，带宽小于1.5 kHz。模拟输出ADXL354和数字输出ADXL355是低噪声密度（分别为20 μg√Hz和25 μg√Hz）、低0 g失调漂移、低功耗、3轴加速度计，集成温度传感器和可选测量范围，如表5所示。

 

部分	测量范围（g)	带宽（千赫）
ADXL354B	±2， ±4	1.5
ADXL354C	±2， ±8	1.5
ADXL355B	±2， ±4， ±8	1
ADXL356B	±10， ±20	1.5
ADXL356C	±10， ±40	1.5
ADXL357B	±10.24， ±20.48， ±40.96	1

 

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357采用密封封装，有助于提供出色的长期稳定性。封装带来的性能提升通常会扩展，如图 5 所示。在制造商可以做些什么来增加与稳定性和漂移相关的额外性能方面，封装经常被忽视。这一直是ADI公司关注的重点，从我们提供的各种传感器封装类型中可以看出这一点，以适应不同的应用领域。

高温和动态环境

在额定用于高温或恶劣环境工作的加速度计问世之前，一些设计人员被迫使用远远超出数据手册限制的标准温度IC。这意味着最终用户承担在高温下鉴定组件的责任和风险，这既昂贵又耗时。众所周知，密封密封封装在高温下坚固耐用，可防止导致腐蚀的湿气和污染。ADI公司提供一系列密封器件，在整个温度范围内具有增强的稳定性和性能。ADI公司还做了大量工作，研究塑料封装在高温下的性能，特别是引脚框架和引线符合高温焊接工艺的能力，以及为高冲击和振动环境提供安全连接的能力。因此，ADI公司提供18款额定温度范围为−40°C至+125°C的加速度计，包括ADXL206、ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357、ADXL1001/ADXL1002、ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大多数竞争对手不提供能够在−40°C至+125°C范围内或在恶劣环境条件下（如重型工业机械和井下钻探和勘探）工作的MEMS电容式加速度计。

图5.通过先进的封装技术和校准实现的性能提升示例。

在温度高于125°C的非常恶劣的环境中进行倾角测量是一项极具挑战性的任务。ADXL206是一款高精度（倾斜精度<0.06°）、低功耗、完整的双轴MEMS加速度计，适用于高温和恶劣环境，如井下钻探和勘探。该器件采用13 mm ×8 mm ×2 mm侧钎焊陶瓷双列直插式封装，环境温度范围为−40°C至+175°C，175°C以上性能下降，可恢复性100%。

在存在振动的动态环境中进行倾角测量，例如农业设备或无人机，需要更高的g范围加速度计，例如ADXL356/ADXL357。有限g范围内的加速度计测量会导致削波，从而导致额外的偏移添加到输出中。削波可能是由于敏感轴处于 1 g 重力场中，或者由于快速上升时间和缓慢衰减的冲击。g范围越高，加速度计削波越大，从而减少偏移，从而在动态应用中提高倾斜精度。

图6显示了ADXL356 Z轴的g范围限制测量结果，该测量范围中已经存在1 g。图7显示了相同的测量结果，但g范围从±10 g扩展到±40 g。可以清楚地看到，通过扩展加速度计的g范围，由于削波引起的偏移显着减少。

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357以小尺寸提供出色的振动校正、长期可重复性和低噪声性能，非常适合静态和动态环境中的倾斜/倾斜检测。

图6.ADXL356 VRE，Z 轴偏移从 1 g 开始，±10 g 范围，Z 轴方向 = 1 g。

图7.ADXL356 VRE，Z 轴偏移从 1 g 起，±40 g 范围，Z 轴方向 = 1 g。

稳定

关键标准：噪声密度、速度随机游走、运行中偏置稳定性、偏置重复性和带宽。

检测和理解运动可以为许多应用增加价值。价值来自于利用系统所经历的运动并将其转化为改进的性能（缩短响应时间、提高精度、加快运行速度）、增强的安全性或可靠性（在危险情况下关闭系统）或其他附加值功能。如图8所示，由于运动的复杂性，例如，在船上使用的基于无人机的监视设备和天线指向系统中，有一大类稳定应用需要陀螺仪与加速度计（传感器融合）的组合。2

图8.六个自由度 IMU。

六自由度IMU使用多个传感器，因此它们可以弥补彼此的弱点。看似简单的惯性运动在一两个轴上实际上可能需要加速度计和陀螺仪传感器融合，以补偿振动、重力和其他仅靠加速度计或陀螺仪无法准确测量的影响。加速度计数据由重力分量和运动加速度组成。这些不能分开，但陀螺仪可用于帮助从加速度计输出中去除重力分量。在进行所需的积分过程以确定加速度位置后，加速度计数据的重力分量引起的误差会很快变大。由于累积误差，仅靠陀螺仪不足以确定位置。陀螺仪不感测重力，因此它们可以与加速度计一起用作支撑传感器。

在稳定应用中，MEMS传感器必须提供平台方向的精确测量，特别是在运动时。使用伺服电机进行角运动校正的典型平台稳定平台系统的框图如图9所示。反馈/伺服电机控制器将方向传感器数据转换为伺服电机的校正控制信号。

图9.基本平台稳定系统。3

最终应用将决定所需的精度水平，选择的传感器质量是消费级还是工业级将决定这是否可实现。区分消费级设备和工业级设备非常重要，这有时可能需要仔细考虑，因为差异可能很微妙。表6显示了集成到IMU中的消费级和中级工业级加速度计之间的主要区别。

 

加速度计参数	典型工业规格	对典型消费类设备的改进
动态范围	高达 40 g	3×
噪声密度	25 μ克/√赫兹	600
速度随机游走	0.03 米/秒/√赫兹	600
运行中偏置稳定性	10 μ克	600
偏置重复性	25 米克	100×
–3 dB 带宽	500赫兹	2×

 

在某些情况下，条件是良性的并且不精确的数据是可以接受的，低精度设备可以提供足够的性能。然而，在动态条件下对传感器的需求迅速增长，由于无法减少实际测量或温度效应的振动影响，精度较低的部件受到很大影响，因此难以测量低于3°至5°的指向精度。大多数低端消费类器件不提供参数规格，如振动校正、角度随机游走和其他参数，这些参数实际上可能是工业应用中最大的误差源。

为了在动态环境中测量1°至0.1°的指向精度，设计人员的器件选择必须关注传感器能够抑制温度和振动影响的漂移误差。虽然传感器滤波和算法（传感器融合）是实现性能改进的关键因素，但它们无法消除从消费级到工业级传感器的性能差距。ADI公司的新型工业IMU实现了接近上一代导弹制导系统的性能。ADIS1646x和已宣布的ADIS1647x等器件可以在标准和微型IMU尺寸中提供精密运动检测，开辟了曾经的利基应用领域。

在本文的第2部分中，我们将继续探讨MEMS加速度计的关键性能特征，以及它们如何与可穿戴设备、状态监控和物联网等应用领域（包括结构健康监测和资产健康监测）相关联。

审核编辑：郭婷