表面微机械加工已用于制造可靠的加速度计，成本非常低，但性能一般，用于安全气囊和消费品工业(对话27-2 (1993)，A-D 30-4 (1996)， A-D 33-1(1999))。由于表面微加工结构的小尺寸，更复杂应用的精度和噪声限制是由于涉及的微小信号。

然而，集成微机电系统中使用的电路架构和梁结构的最新进展导致分辨率和精度的数量级提高。最近推出的ADXL105加速度计具有225µg /√赫兹噪声底，10khz带宽，以及一个板载温度传感器，可用于校准温度效应。相比之下，首款加速度计ADXL50的本底噪声为6500µg /√赫兹． A 65µg /√赫兹Version还展示了新的3微米多晶硅工艺。ADXL105最初的目标是机器健康和战术指导。控制应用，以及一些新的汽车应用。

ADXL105是一种近乎理想的振动传感器，它消除了现有振动传感器(如压电和体电容传感器)的重大问题。主要优点是成本低得多，灵敏度随频率和温度的变化稳定，坚固耐用，易于使用。除了机器健康和状态监测，它特别适合于噪音和振动消除应用。

从结构上看，ADXL105是新一代精密表面微机械设备中的第一个，它试图使用2微米厚的多晶硅工艺来推动性能极限。该器件的制造工艺将表面微机械差分电容传感器和电子信号调理电路结合在单个IC芯片上。传感器本身为0.5 mm × 0.4 mm，厚2 μ m，特征尺寸为1 μ m，质量仅为0.5微克。当噪声水平为225 μ g /√时，1- g加速度引起的偏转为1纳米(E-9 m)，约为间隙宽度的0.07%;最小可分辨偏转约为210飞米(E-15 m)，约为0.002埃赫兹和1hz带宽。

由于源电容在150飞法拉附近(即0.15 pF)，差分电容变化的数量级较小(1 g加速时为100阿法拉(E-18 F)，分辨率为23 zeptofarads (E-21 F))，这些器件的信号输出很容易在寄生电容或噪声的存在下丢失。

提供片上信号调节的能力是允许以最小的干扰读取分钟信号的原因。采用同步解调技术(“交流电桥”)提高抗噪能力，提高信噪比。方波载波驱动传感器，差分电容变化产生的调制信号被放大并同步解调，使噪声最小化，提高信噪比。

结构梁的尺寸和质量的限制对这些设备的性能造成了严重的限制。为了制造一个精确的加速度计，它有助于有尽可能多的质量和一个大的输出信号从传感器。但是这两个参数都受到传感器元件尺寸的限制，而传感器元件的尺寸又受到控制曲率的能力的限制，或者由于内部多晶硅应力导致的结构的面外偏差。尺寸的限制(因此质量的限制)对传感器设置了较低的噪声限制，因为设备的布朗噪声底，这是由气体分子反射光束施加的，与传感器的质量成反比。信号到噪声当然受到信号大小(与弹簧刚度、传感器质量和源电容有关)以及前端电路设置的本底噪声的限制。

弹簧的刚度限制了电容的变化，因此限制了电输出的大小。虽然更灵活的弹簧在加速下允许更大的质量行程，同时电路读取的增量电容也相应增加，但在弹簧的灵活性和结构对冲击和过载的稳健性之间存在直接的权衡。如果传感器不够坚硬，它们的元件就会接触，由此产生的粘性(静摩擦)会通过不可逆的物理闭锁产生故障。

ADXL105的设计目标是提高传感器的鲁棒性，同时实现在该过程中构建的现有产品的性能提高约5倍;这将提高设备对机器健康和战术惯性应用的适用性。

为了提高鲁棒性，并满足10khz带宽的目标规格，选择了更硬的波束。新设计的共振频率为16 khz，取代了12 khz的共振梁，刚度提高了2.5倍。此外，梁有一个新的悬架，增加了z轴(梁到基底)的刚度。虽然鲁棒性得到了提高，但这些变化实际上增加了满足设计目标的难度，因为更硬的光束减少了来自传感器的信号。这就要求改进电气设计。

为了减少或消除由电子设备引起的所有不准确的来源，进行了特别的努力。因此，要注意使用低漂移放大器设计，并跟踪误差源，这对安全气囊或消费电子设计并不重要，但会损害惯性或振动传感器。

ADXL105的前端电路采用熟悉的精密设计技术进行设计，以降低本底噪声。增加驱动电流和输入场效应管的尺寸以最小化噪声和寄生损耗。模具尺寸和电流消耗在某种程度上受到损害，有利于性能。采用了一种特殊的两级放大器设计，将增益段分开以优化噪声和漂移分量。

电气和机械设计的改进所带来的性能的提高，回答了表面微机械设备用于精密测量的两个经常受到批评的问题:它们的频率响应有限，它们的本底噪声太高，因此分辨率太低。下表比较了ADXL105与其他低g加速度计。

除了这些规格之外，表面微机械方法还有其他有利的特性，这些特性导致传感器的性能可以与使用其他技术的现有(并且相当昂贵)传感器相媲美或超过。

例如，微机械传感器的振幅与频率响应几乎是理想的，因为它的动态行为是由集成电路微加工过程严格控制的形状和尺寸造成的。将其与精心设计的线性电子器件相结合，可以获得非常平坦的幅度与频率响应。这种特性在振动测量中非常有价值，因为振动测量需要非常精确和可重复的振幅测量，以进行机器状态监测或振动消除。事实上，当应用该设备时，设计不良的安装可能会引入比设备本身固有的更大的动态误差。

对于大多数压电传感器来说，一个理想的数值是在1khz时的振幅响应在其100hz值的5%以内。ADXL105在1 kHz时很容易在1%以内，并且在5 kHz时它通常只偏离其100 hz值2%。ADXL105的10 kHz单极响应还导致可预测的相位响应和5 kHz时的低相位滞后，这是噪声和振动消除方案的重要特性。

在这种类型的传感器中，如前所述，梁响应加速度的运动是通过电容技术检测的。测量的电容变化率几乎随温度不变，导致灵敏度(V/ g)在-40至+85°C工业温度范围内仅变化±1%。

最后，ADXL105的噪声特性与常用的压电振动传感器有很大的不同。用于解码放大的电容式传感器输出的同步解调方案产生的噪声谱密度基本上与频率无关。这与压电传感器的噪声形成鲜明对比，压电传感器的噪声随着频率的降低而大幅增加。

排量是低速设备(如大型空调风扇)测量的重要特性。过大的位移是轴承磨损和潜在机械故障的标志。对振动加速度信号进行两次积分，计算位移。ADXL105可以测量加速度一直到直流;压电传感器则不能。由于低频零，它们在1hz附近失去灵敏度。ADXL105的直流能力和出色的低频噪声特性使其能够在低频下精确测量振动位移。

振动测量中的应用问题

ADXL105在最后一个领域与其他振动传感器有很大不同:包装。大多数振动传感器采用封装形式，带有螺柱或螺钉安装，以及用于电气连接的细尾。包装硬化用于工业用途，通常使用不锈钢。ADXL105采用标准的陶瓷表面贴装IC封装。对于工业应用，通常必须将其重新包装并装入适合目标设备和所需加速度测量类型的形式。设备与许多第三方供应商合作，他们可以提供各种形式的产品。

如前所述，传感器的近理想特性可能会因粗心安装而受到损害。在安装加速度计时，重要的是要考虑IC封装引线和安装到的PC板的谐振频率。例如，表面贴装封装的引线具有约7千赫的谐振频率。这种共振会降低高频振动测量的精度。为了解决这个问题，应将包装粘在PC板上(如果使用PC板)，以使传感器与板之间的机械耦合紧密。PC板共振通常发生在更低的频率，可以通过将组件灌封在环氧树脂中或使用更厚的PC板来抑制。

惯性测量的特殊功能

虽然ADXL105针对振动测量进行了优化，但其直流精度也比早期的加速度传感器有所提高。特别注意电子器件的设计，以消除直流漂移和噪声源，这些在早期产品的应用中被忽视，或者根本不重要。特别注意的是最后的输出级，以降低限制直流和低频稳定性的1/f噪声角。

加速度计包括一个8mv /°C板载温度传感器，用于测量IC芯片的实际温度。对于惯性应用，加速度计在温度上进行数学建模以消除静态误差。机载温度传感器既用于传感器的初始校准，也用作校准模型的输入。该传感器设计具有可重复性和准确性，以减少建模过程中的残留。

未来的工作

ADXL105已经证明，尽管存在固有障碍，但在2微米厚的表面微机械多晶硅工艺上开发高性能加速度传感器是可能的。该装置的实验版本采用了3微米厚的多晶硅工艺，已显示出65 μ g /√赫兹本底噪声，比ADXL105提高3倍。目前正在开发的概念，以证明25µg /√赫兹设备，并将此提高的分辨率与±50g，±100g等更宽的范围相结合。其他发展将集中在低应力封装方法上，这将实现更好的偏置稳定性，这是战术惯性应用的重要要求。

结论

这些设备的低成本和越来越高的性能带来的主要机会是实现以前不可能实现的新应用。尽管在现有应用中也有替代其他手段的潜力，但没有理由相信设计精密仪器的设计师或购买精密仪器的客户会严格根据成本突然改变为新技术，因为精密仪器业务中还有其他重要的考虑因素。

然而，开发新的或扩展精密传感器用途的机会是无限的。例如，这项新技术可以让设计人员对制造商生产的每台机器、电机、泵或压缩机进行全天候监控。新型低成本、精确的传感器具有完全的信号调节输出，可以将实时监控系统中每个点的成本从1000美元降低到100美元以下。这种成本的降低使得以前不可能实现的传感器的新用途变得可行。例如，一家工业设备制造商现在可以经济地生产一种“智能电机”，它具有采用DSP进行速度控制的高效驱动电子设备，并配有低成本的机器健康调节模块，以提高能源效率，缩短启动时间，减少维护成本，从而降低最终客户的总拥有成本。