MEMS加速度計如何選型？
加速度計能夠測量加速度、傾斜、振動或沖擊，因此適用于從可穿戴健身裝置到工業(yè)平臺穩(wěn)定系統(tǒng)的廣泛應用。市場上有成百上千的加速度計器件可供選擇，其成本和性能各不相同。
本文第一部分討論設計人員需要知道的關鍵參數(shù)和特性，以及它們與傾斜和穩(wěn)定應用的關系，從而幫助設計人員選擇最合適的加速度計。第二部分將重點關注可穿戴設備、狀態(tài)監(jiān)控(CBM)和物聯(lián)網(wǎng)應用。
最新MEMS電容式加速度計應用于傳統(tǒng)上由壓電加速度計和其他傳感器主導的應用領域。新一代MEMS加速度計可為CBM、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控(SHM)、資產(chǎn)健康監(jiān)控(AHM)、生命體征監(jiān)測(VSM)和物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡等應用提供解決方案。然而，在有如此多加速度計和如此多應用的情況下，選擇合適的加速度計并非易事。
尚無行業(yè)標準界定加速度計屬于何種類別，加速度計的一般分類及相應的應用如表1所示。其中帶寬和g值（重力加速度）范圍是加速度計用在所列終端應用中的典型值。
1
選型要素
1.1、傾斜檢測
對MEMS電容式加速度計而言，精確的傾斜檢測是一種要求頗高的應用，尤其是在有振動的情況下。在動態(tài)環(huán)境中利用MEMS電容式加速度計實現(xiàn)0.1°的傾斜精度非常困難、小于1°很困難，大于1°較易實現(xiàn)。
為使加速度計有效測量傾斜度，必須對傳感器性能和終端應用環(huán)境有很好的了解。相比于動態(tài)環(huán)境，靜態(tài)環(huán)境對傾斜測量更加有利，因為振動或沖擊可能會破壞傾斜數(shù)據(jù)，引起嚴重測量誤差。
傾斜測量的最重要特性有：溫度系數(shù)失調(diào)、遲滯、低噪聲、短期/長期穩(wěn)定性、可重復性和良好的振動校正。
0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置漂移、PCB外殼對準引起的0 g偏置漂移、0 g偏置溫度系數(shù)、靈敏準確度和溫度系數(shù)、非線性度以及跨軸靈敏度等誤差，是可以觀測到的，并且可以通過裝配后校準流程加以降低。
遲滯、使用壽命期間的0 g偏置漂移、使用壽命期間的靈敏度漂移、潮濕引起的0 g漂移，以及溫度隨時間變化引起的PCB彎曲和扭轉(zhuǎn)等，這些誤差項無法通過校準或其他方法解決，需要通過一定程度的原位維修才能減少。
1.2、高溫和動態(tài)環(huán)境
在適合高溫或惡劣環(huán)境的加速度計可用之前，一些設計人員曾不得不將標準溫度IC用在遠超出數(shù)據(jù)手冊限值的情形中。
這意味著最終用戶須承擔在高溫下檢驗器件質(zhì)量的責任和風險，成本高昂且頗費時間。密封封裝能夠耐受高溫已是廣為人知的事實，它通過一道能抵御濕氣和污染的屏障來防止腐蝕。
1.3、穩(wěn)定
檢測并了解運動可以給許多應用帶來好處，掌控一個系統(tǒng)發(fā)生的運動，然后利用該信息提高性能（縮短響應時間、提高精度、加快運行速度），增強安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險情況下關機），或者獲得其他增值特性，是很有益的。
在穩(wěn)定性應用中，MEMS傳感器必須精確測量平臺方位，特別是在運動時。下圖是一個采用伺服電機校正角向運動的典型平臺穩(wěn)定系統(tǒng)的框圖。反饋/伺服電機控制器將方向傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為伺服電機的校正控制信號。
最終應用將決定所需的精度水平，而所選的傳感器質(zhì)量（消費級還是工業(yè)級）將決定其能否實現(xiàn)。區(qū)分消費級器件和工業(yè)級器件很重要，有時候二者的區(qū)別很微妙，可能需要仔細考慮。下表顯示了消費級加速度計和IMU中集成的中檔工業(yè)級加速度計的主要區(qū)別。
在某些條件有利且可接受較低精度數(shù)據(jù)的情況下，使用低精度器件便可滿足性能需要。然而，對能在動態(tài)環(huán)境中工作的傳感器需求迅速增長，較低精度器件由于不能降低實際測量中的振動效應或溫度效應而大受影響，很難達到小于3°至5°的指向精度。多數(shù)低端消費級器件未提供諸如振動校正、角度隨機游走之類的參數(shù)規(guī)格，而這些規(guī)格在工業(yè)應用中恰恰可能是最大的誤差源。
2
可穿戴設備MEMS加速度計應用
用于電池供電型可穿戴應用的加速度計的關鍵指標是超低功耗（通常為μA級），以確保盡量延長電池壽命。其他關鍵指標是尺寸和集成的特性，比如備用ADC通道和深度FIFO，其作用是增進終端應用的電源管理和功能性。
由于這些原因，可穿戴應用中通常采用MEMS加速度計。下表所示為部分生命體征監(jiān)測(VSM)應用及其在具體應用中的對應設置。用于可穿戴應用的加速度計通?？梢詫Γ哼\動分類；檢測自由落體；測量運動是否存在以確定是使系統(tǒng)上電、關斷還是休眠；輔助實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，供ECG和其他VSM測量使用。同樣的加速度計也用在無線傳感器網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)應用中，因為它們具有超低功耗的特性。
在為超低功耗應用選擇加速度計時，必須在數(shù)據(jù)手冊中標稱的功耗水平下觀察傳感器的功能。要觀察的一項關鍵指標是帶寬和采樣速率是否會降至無法測量可用加速度數(shù)據(jù)的水平。
有些競爭產(chǎn)品通過每秒關斷并喚醒的方式達到維持低功耗的目的，但這樣做會錯過關鍵的加速度數(shù)據(jù)，因為有效采樣速率下降了，為了測量實時人體運動的范圍，需要大幅提高功耗。
下圖顯示了各種MEMS加速度計的快照，并依據(jù)特定應用的主要性能指標和智能/集成水平將各傳感器歸類。
學習來源：ADI智庫
期刊下載請參見：https://download.csdn.net/download/m0_38106923/20611905
往期推薦