加速度计是一种非常好的传感器，可以在重力作用下感知开始坍塌的桥梁的静态和动态加速度。这些传感器包括可以改变显示屏方向的移动应用程序组件，以及可以帮助军用车辆或航空导航的战术部件。
然而，与大多数传感器一样，传感器在实验室或试验台上表现出色是一回事。面对荒凉、不受控制的环境条件和温度压力，保持相同的系统性能完全不同。和人类一样，当加速度计在其生命周期中承受前所未有的压力时，系统会发生反应，并可能因这些压力而出现故障。
校准后，高精度倾斜感觉系统的倾斜精度一般可优于1度。采用先进的超低噪声和高度稳定的加速度计，如ADXL354 或ADXL通过校准可观察到的误差源，其倾斜精度可达0.005度。[2]但这种精度水平只有在适当的压力降低下才能达到。例如，传感器承受的压缩/拉压可能导致高达20 mg倾斜误差超过1度。
本文讨论了高精度角的高精度角/倾斜传感系统的性能指针。首先，我们从微观角度分析传感器设计，以便更好地了解微米压力和应变的影响。分析表明，如果不遵循整体的机械和物理设计方法，就会出现一些令人惊讶的结果。最后，本文将向设计师介绍，以帮助在严格的应用中AD充分提高性能和可行步骤。

ADXL35x传感器设计
从价格和性能的角度来看，基于MEMS加速度计适用于从消费品到军用感知的各种应用。AD的低噪声加速度计ADXL354和ADXL355可支持许多新兴应用，如精确倾斜感知、地震成像等，以及机器人和平台的稳定性。
ADXL355的特点使其在高精度倾斜/角度感知应用中具有独特的优势，如优异的噪声、偏移、重复性和与温度相关的偏移，以及振动校正和跨轴灵敏度。本文将以这种特定的传感器作为高精度加速度计的例子进行详细讨论；然而，本节讨论的原理适用于大多数三轴MEMS加速度计。
为了更好地理解促进ADXL考虑到355的高性能设计，首先检查传感器的内部结构，澄清三轴对环境参数（如平面外压力）的不同响应。在许多情况下，这种平面外压是由传感器z轴上的温度梯度引起的。
ADXL35x系列加速度计包括一个弹簧质量系统，其他许多系列MEMS加速度计相似。通过传导机制检测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））。MEMS最常见的传导机制包括电容式、压阻式、压电式或磁性。
ADXL355采用电容传导机制，通过电容变化检测移动，电容变化可通过读取电路转换为电压或电流输出。ADXL硅芯片上所有三轴传感器均采用电容传导机制，但X/Y传感器和Z传感器采用两种完全不同的电容检测架构。X/Y所有传感器均基于差分平面内叉指，而Z传感器是平面外平行板电容传感器。

南皇电子专注于整合中国优质电子AD代理国内领先的现货资源，提供合理的行业价格、战略备货、快速交付控制AD芯片供应商，轻松满足您的需求AD芯片采购需求.（http://www.icbuyshop.com/）

在目前的设置下，表1显示，y轴的噪声高于预期的理论值。在调查了可能的原因后，我们发现额外的笔记本电脑和其他实验室设备风扇的振动可能表现在y轴上。
为了验证这一点，x轴通过转动虎钳到达y轴的原始位置，结果显示，x轴变成了噪音更高的轴。轴与轴之间的噪声差似乎是仪表噪声，而不是加速度计各轴之间的噪声水平差。这种类型的测试实际上是低噪声加速度计「初始」测试增强了进一步测试的信心。
解热冲击是对的ADXL我们选择热风枪[7]将其调整到冷空气模式（实际上比室温高几度），以给加速度计施加热压。我们也使用它ADXL355板载温度传感器记录温度。
在这个实验中，使用钳子ADXL355垂直放置，用热风枪吹包装顶部。随着芯片温度的升高，预期实验过程中偏移的温度系数会出现，但几乎会立即出现任何温差热压。
换句话说，如果单个检测轴对温差和热压非常敏感，那么加速度计输出可能会有很大的波动。删除数据变化相对温和时的平均值，可以同时轻松比较三个轴。

图6 : 使用采用冷风模式的热风枪时，ADXL热冲击数据355。

从图6可以看出，温度稍高的风用热风枪吹到密封陶瓷封装上。结果，z轴上出现~1500 μg的偏移，y轴上的偏移要小得多(可能是~100 μg），x轴几乎没有偏移。尽管许多最终客户产品PCB顶部有一个外壳，可以分散温差和热压，但我们需要考虑这些类型的快速瞬变压力。从这个简单的测试中可以看出，这些压力可能表现为偏差误差。
图7显示了关闭热风枪后的相反极性效应。

图7 : 在t=240秒关闭热风枪时，ADXL355受到的热冲击。

在加热环境中使用热风枪时，这种效果更明显；即当温度冲击较大时。Weller热风枪的输出温度约为400摄氏度，因此在使用时，需要间隔一段距离，以免因过热或热冲击而损坏。
在这次测试中，热风枪在距离ADXL355大约15 cm热风吹出，导致温度立即升高约40摄氏度。

图8 : 使用热风枪时，ADXL355 热冲击。

虽然热冲击的强度相当大，但在本次实验中仍能明显看到，z轴的反应速度比x轴和y轴快得多。使用产品手册中的偏移温度系数，当温度试摄氏度偏移40度时，将看到约100度 μg/摄氏度数×摄氏40度 = 4 mg的偏移，x轴和y轴最终会显示这一点。然而，我们发现z轴上几乎立出现10 mg偏移表明这种影响不同于温度。这是由传感器上的温差热压/应变引起的，在z轴上表现最为明显，如上述所述，与x和相比y轴，z轴上的传感器对温差压力更敏感。
ADXL设置355的典型偏移温度系数(失衡温度系数) /-100 μg/摄氏度。我们需要了解这里使用的测试方法，这是非常重要的，因为加速度计用于测量不平衡的温度系数。在传感器温度范围内，烤箱温度缓慢升高，我们测量偏移的斜度。典型的例子。

图9 : ADXL355在烤箱中测试的温度特性。

图中显示了两种影响。一种是产品描述和记录的失调温度系数。这是烤箱以5摄氏度/分钟的速度加热，但在摄氏度下不保温–45度到 许多产品在120度温度范围内的平均值。这个结果可以从图9类似的图表中得出，当高于摄氏165度时，可以指出为18 mg，或约109 μg/摄氏度略超过100 μg/摄氏度典型值范围，但仍在原设定的最小值和最大值范围内。
但是，考虑到下图9右侧所示的情况，在摄氏度120度下保温15分钟会发生什么。当设备处于高温下时，实际偏移量会下降和改善。在这种情况下，当摄氏度高于165度时，平均值接近10度 mg，或者失调温度系数约为60 μg/摄氏度数。第二种影响与温差热压有关。传感器检测质量块在整个硅芯片组件的温度范围内稳定后，压力降低。
图6到图8中显示的热风枪测试也显示了这种影响。与产品本身设定的长期失衡温度系数相比，这种影响将在较短的时间范围内显示。上述发现对于许多由于整体热动力学的影响而比摄氏度慢得多的系统来说是相当有价值的。

其他影响稳定性的因素
在深入了解设计中的热压后，还需要了解惯性传感器的另一个重要方面，即其长期稳定性或可重复性。可重复性是指在相同条件下长时间连续测量的准确性。例如，在一段时间内，测量相同温度下相同方向的重力场，并观察其匹配程度。偏移的可重复性和灵敏度是评估传感器长期稳定性的关键因素。许多传感器制造商没有在其产品手册中描述或规定长期稳定性。
ADXL355设为10年寿命预测值，包括高温工作寿命测试（HTOL）、测量温度循环(摄氏度55度) 125度，循环1000次)，速度随机游走，宽带噪声和温度迟滞引起的测量偏移。ADXL35x该系列可重复，ADXL355的X/Y传感器和Z传感器的精度分别为 /-2 mg和 /-3 mg。
由于与测量时间有关，在稳定的机械、环境和惯性条件下，可重复遵循方根定律。例如，在两年半的时间内（对于最终产品，可能是很短的时间）获得x轴的偏移可重复性，可以用以下公式计算 /-2 mg × √（2.5 years/10 years） = /-1 mg。图10显示在23天内，32个组件的HTOL试验结果：偏移为0 g。平方根定律在这张图中可以清楚地看到。还应该强调的是，因为MEMS传感器制造过程中的工艺差异，每个组件的性能不同，有些组件的性能优于其他组件。

图10 : ADXL长期稳定性长达500小时。

机械系统设计建议
经过以上分析讨论，很明显，机械安装表面和外壳设计有助于改进ADXL355传感器的整体性能会影响传感器的物理压力。
一般来说，机械安装、外壳和传感器将形成二级（或更高级）系统；因此，在谐振或过阻尼期间会有不同的响应。机械支持系统具有代表这些二级系统的模式（由谐振频率和质量因素定义）。
在大多数情况下，我们的目标是了解这些因素，并尽量减少它们对传感系统的影响。因此，应避免所选传感器的包装形状、所有界面和材料ADXL355应用因过阻尼)或放大(因谐振)是由355应用带宽引起的。本文不讨论这些具体的设计考虑因素；简要列出一些实用项目:

PCB、安装和外壳
? 将PCB牢牢地粘在刚性衬底上。在刚性衬底上使用多个安装螺钉PCB背面使用粘合剂，以确保可靠的支持。
? 将传感器放置在安装螺钉或固定板附近。PCB如果体积较大(约几英寸)，在板中央使用多个安装螺钉，以避免PCB低频振动，因为它会影响加速度计的测量结果。
? 如果PCB仅由凹槽/凸边结构提供机械支撑，则使用较厚的PCB(推荐厚度大于2 mm）。在PCB当尺寸较大时，增加厚度以保持系统刚度。使用有限元分析(例如ANSYS或类似分析)，针对特定设置计确定最佳PCB外形尺寸和厚度。
? 传感器的长期稳定性对于传感器长期测量结构健康监测的应用至关重要。选择包装PCB粘合材料时，应选择性能长期下降或机械特性变化最小的产品，以免给传感器带来额外压力，导致偏移。
? 避免假设外壳的固有频率。对简单的外壳进行固有振动模型计算，对复杂的外壳设计进行有限元分析，将非常有帮助。
? 将ADXL355和电路板焊接在一起会产生压力，导致高达几次mg偏移。建议减少这种影响PCB焊接垫模式、导热片和铜线导热路径采用对称布局。在某些情况下，校准前发现焊料退火或热循环可以帮助缓解压力积累，帮助管理长期稳定性。

灌注材料
灌注材料广泛用于将电子元件固定在外壳内。如果传感器采用二次成型塑料包装，如连接盘网格数组（LGA），由于其温度系数，不建议使用灌注材料（TC）与外壳材料不匹配会导致压力直接影响传感器，导致偏移。但是，ADXL355采用气密陶瓷包装，能有效保护传感器不受影响TC影响。然而，灌注材料可能仍然存在PCB由于随着时间的推移，材料的性能会退化，导致硅芯片微小翘曲，在传感器上形成压力。
对于需要长期保持稳定性的应用，一般建议避免使用灌注。低压塑料涂层（如C聚对二甲苯）可以提供一些防潮层来代替灌注。

气流、热传递和热平衡
为了达到最佳的传感器性能，在优化温度稳定性的环境中设计、放置和使用检测系统是非常重要的。如本文所示，即使温度变化很小，也可能导致意想不到的后果。以下建议：

? 传感器应该放在里面PCB大大降低了传感器上的热梯度。例如，线性稳压器产生大量的热量；因此，当它们接近传感器时，它们MEMS热梯度会随着稳压器的电流输出而变化。
? 将传感器模块部署在远离气流的地方HVAC）该区域，以避免频繁的温度波动。如果不可行，通过热绝缘可以实现外部或内部的热隔离。要考虑传导和对流热路径。
? 建议选择外壳的热质化的应用中，建议选择外壳的热质量来抑制环境热波动。

结论
本文阐述了高精度，没有充分考虑环境和机械的影响ADXL355加速度计的性能将如何下降。通过整体设计实践，同时关注系统级配置，敏锐的工程师可以实现卓越的传感器系统性能。许多人承受着前所未有的生活压力，但面对压力，加速度计也很重要。

（本文作者Paul Perrault1、Mahdi Sadeghi2为AD1资深现场应用工程师及2产品应用工程师)

电路参考数据
[1] Chris Murphy。 “Choosing the Most Suitable MEMs Accelerometer for Your Application—Part 1.。” 2017年10月，模拟对话，第51卷，第4期。
[2] Chris Murphy。 “Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration.。” 2017年8月，模拟对话。
[3] SDP-K1评估系统。AD。
[4] Mbed：SDP-K1用户指南。AD。
[5] PanaVise铰接支架。PanaVise。
[6] Mbed代码。AD。
[7] Weller 6966C热风/冷风枪。Weller。
[8] Parylene。维基百科。