技术帖~硬核矽睿“芯”之MEMS加速度计技术原理和应用指南
前言：
基于MEMS的加速度计在最近二十年得到了大量的应用，随着供应商的增多，产品逐渐多样化，性能不断提高，成本由于工艺和大批量化取得了进展，从而使MEMS加速度计应用从早期的车载应用，硬盘保护等较有限的应用场景快速往智能消费类电子扩展，带来了第二波MEMS器件使用量的快速增长，而为了适应下一波物联网IOT应用的需求，越来越多的厂商在强化低功耗，边缘计算智能化，并努力控制成本。
MEMS加速度计的性能指标与应用是密切相关的，了解目前MEMS加速度计的指标并针对应用做合适的取舍是整个系统性能优化的一个重要的步骤。
我们将在本篇中详细讨论加速度计的关键指标与应用选型，在下一篇中针对电池设备的低功耗加速度计的姿态和运动检测做介绍。
MEMS加速度计的原理与实现：
为了更好的了解MEMS加速度计的各项性能指标，我们有必要对MEMS加速度计的基本原理做一个简单的介绍。
加速度测量的理论基础是与惯性质量有关的牛顿第二定律，实现上是用简单的质量/弹簧系统来进行测量：
力=质量*加速度，并且力=位移*弹簧系数，因此位移=质量*加速度/弹簧系数，因为质量和弹簧系数是已知量，因此可以通过位移来表征加速度参数。
QMA7981 3轴MEMS加速度计采用常见的2*2mm的LGA封装，每颗器件在出厂前都进行了相关参数的校准，并确认误差在规格书范围内，包括零偏（offset），刻度系数（Scale）等。
从上面的MEMS加速度计的原理以及实现方式我们可以看到，采用电容测量位移并计算加速度值的方式，与质量快的大小，弹簧的系数以及梳齿的间隙有关，对应这些参数的MEMS 传感器的指标参数就对应到量程，分辨率，零偏，灵敏度系数，灵敏度系数的非线性度，零偏稳定性，零偏重复性，带宽，谐振频率，工作温度等上面了。
MEMS加速度计的关键指标：
下面我们以上海矽睿科技三轴加速度计QMA7981为例详细介绍加速度计的关键指标以及与应用的关系，这些指标包括：
量程（Acceleration Full Range）
分辨率（Resolution）
功耗（Power Consumption）
输出速率（ODR）
灵敏度（Sensitivity）
灵敏度偏差（Sensitivity tolerance）
灵敏度温度漂移（Sensitivity Temperature Drift）
零偏（Zero-g offset）
零偏温度漂移（Zero-g offset Temperature Drift）
带宽（bandwidth）
噪声密度（Noise density）
正交灵敏度（Cross Axis Sensitivity）
谐振频率
1) 量程（Acceleration Full Range）
量程是指加速度计可以测量的加速度范围，超过该范围输出将饱和，对于普通的应用，一般情况下+/-8G已经可以满足要求，一些特殊的应用比如洗衣机震动检测，撞击检测等要求高G的需求，QMA7981提供了+/-32G的量程范围可以选择。
应用中量程的选择的还与加速度计的分辨率（Resolution）以及噪声指标有关，在同样的ADC分辨率下，量程增大一倍，实际的灵敏度LSB/g将减小一半。QMA7981在+/-32G量程下的分辨率为3.9mg/LSB。
2）分辨率（Resolution）
加速度计的分辨率提高有助于分别精细化的动作，分辨率从早期的6bit，8bit，10bit逐渐提升，目前以14bit为主流。加速度计的分辨率提高的需求也与手机上陀螺仪数据融合的要求有关（目前安卓要求分辨率最低14Bit）。
QMA7981具有14bit的分辨率。
3）功耗（Power Consumption）
功耗对于电池供电内应用是关键指标，电容式的MEMS加速度计相对于热对流形式的加速度计具有天然的功耗优势，最近几年，由于可穿戴应用的需求，电容式的MEMS加速度计的功耗又有大幅度的降低。
由于目前的加速度计传感器内部都有功耗控制单元，通过休眠唤醒间歇工作方式节约功耗，因此，确定合理的噪声指标（Noise）以及需要的数据速率也是对于功耗一个有效的平衡方式，在较低的速率下以及减少芯片内部滤波器工作时间将大幅度降低功耗。
功耗需要从系统层面考虑，包含MEMS加速度计本身在需求的采样率/分辨率下的功耗以及后端的微处理器对数据的读取和运算的功耗，因此考虑到数据实时性要求以及后端微处理器不停唤醒的功耗考虑，越来越多的加速度计将一些需要连续加速度计数据做判断的算法内置，从而进一步大幅降低了功耗，特别是在需要高ODR的应用如双击（Double Tap），计步器（Step Counter），抬手亮屏等更明显。
4）输出速率（ODR）
加速度计的输出速率的需求与应用相关，也与相应的算法效率有关，对于快速变化的应用需要高输出速率，而对于一些慢速响应的应用，低输出速率也是允许的。比如常见的UI界面应用，可能16H是一个合适的速率，而对于游戏，200Hz是一个合理的要求，一般的计步器应用，50Hz~100Hz是需要的输出速率，高输出速率的常见的应用场景比如双击（Double Tap）则输出速率在200~400Hz才能得到一个满意的效果，而对于工业震动检测以及骨传导类似的应用，需要更高的输出速率。
在允许的功耗下，提高输出速率可以通过软件的滤波方式降低噪声，由于一般的加速度计的XYZ三轴的采样是通过复用前端单元的方式来实现电容的测量，高采样率也有利于减小波形的失真影响。
5）灵敏度（Sensitivity）与灵敏度偏差（Sensitivity tolerance）
灵敏度与加速度计传感器的ADC分辨率以及设置的量程有关，QMA7981具有14Bit ADC，在+/-32G量程下的分辨率为3.9mg/LSB，所有的芯片在出厂测试过程中已经严格按照测试要求进行了灵敏度的校准，一般的应用场景不需要在芯片集成到客户平台上后再次进行灵敏度校准。
但是从前面的MEMS加速度计的通过梳齿状结构的电容进行加速度的检测的原理可知，内部的结构在芯片上板后，如果由于设计的考虑不周导致额外的应用影响，灵敏度会有轻微的改变，部分高精度的应用如角度仪或者高精度动作追踪仪可能需要在芯片SMT组装整机后做相应的校准，以减小灵敏度误差，零偏（offset）误差以及正交（crosstalk）误差。该种校准可以用简单的三平面校准或者更准确的6平面校准来实现，相关部分的处理请咨询FAE获得。
6）灵敏度温度漂移（Sensitivity Temperature Drift）
MEMS加速度计采用梳齿状结构通过电容来测量加速度，温度的变化会导致硅材料的热胀冷缩，虽然加速度计采用了差分的结构来抑制温度对于灵敏度的影响，但是仍然存在温度系数，在加速度计的应用设计中，需要遵循基本的规则，使加速度计所在的位置远离热源，避免温度导致的影响。
对于绝大部分应用，无需考虑这个参数对于性能的影响。如果应用场景需要在较宽温度范围内保持准确的灵敏度，可以配合温度传感器以及相应的软件算法减小影响，相关部分的处理请咨询FAE获得。
7）零偏（Zero-g offset）与零偏温度漂移（Zero-g offset Temperature Drift）
MEMS加速度计的应用对于数据的需求分成两种，一种是需要实际的加速度值，另外一种是需要获取加速度的变化值，第一种应用对于零偏（Zero-g offset）与零偏温度漂移（Zero-g offset Temperature Drift）敏感，比如需要利用XYZ的值计算角度变化的应用，第二种对于零偏（Zero-g offset）与零偏温度漂移（Zero-g offset Temperature Drift）不敏感，不如敲击（Double Tap），震动检测，抬手亮屏等。
由前面的加速度计的原理可知，零偏是梳齿由于应力影响导致梳齿偏移导致的，在加速度计传感器在出厂前虽然做了零偏校准，但是实际使用过程中，由于应力的影响，零偏会产生变化，对于加速度计传感器来说，目前尚没有简便可靠的零偏自动校准方式，因此除了芯片本身的内部设计有较强零偏抑制能力之外，在实际的使用场景下，如何有效的减少应用对于MEMS微结构的影响，是需要遵循相应的设计规则的，重要的是避免机械应力以及热应力的影响，相关部分的处理请咨询FAE获得。
8）带宽（bandwidth）
MEMS加速度计芯片的带宽，与MEMS本身的谐振频率，MEMS ADC的速率以及是否MUX等有关，目前的MEMS加速度计，对于200Hz以内的信号的检测带宽是足够的，而对于机械震动检测，语音检测等应用，则需要更高带宽的芯片或者选用相应的模拟输出的芯片。
9）噪声密度（Noise density）
噪声密度也是MEMS加速度计的一项重要指标，指的是噪声输出的功率谱密度，以µg/√Hz指定噪声的功率谱密度 噪声会随供电电压变化，噪声会随供电电压变化，所以它噪声特性会在指定的供电电压下给出。
噪声密度会随着供电电压的降低而升高 总噪声由噪声密度和带宽决定 总噪声＝噪声密度*SQRT(1.6*BW) 对于不同应用要选择合适的带宽以降低总噪声
人的各种运动~50 to 100Hz
倾角检测~5Hz
冲击检测>1kHz
噪声特性决定了器件的精度，外部的软件平滑滤波可以在某些应用下降低数据的抖动，但是会带来相位误差。
需要50µg/√Hz级别的加速度计噪声密度要求的应用可以考虑上海矽睿科技的IMU芯片QMI8610.
10）正交灵敏度（Cross Axis Sensitivity）
正交灵敏度是指垂直轴的输入对于灵敏度的影响，理论上XYZ三轴都是互相垂直的，但是实际上由于生产的偏差，存在一定的正交误差，一般的应用场景无需考虑这个影响，要求高的应用可以采取软件校准的方式消除该项影响。
11）谐振频率
MEMS加速度计每个轴存在一个谐振频率，接近该频率的震动信号会导致输出异常，需要避开该频率点。
MEMS加速度计应用与关键指标：
QMA7981是上海矽睿科技专门针对智能移动终端，物联网，可穿戴应用进行设计的新一代产品，内置了硬件计步器，抬手亮屏，震动检测等附加功能，具有超低功耗、高灵敏度、抗应力性能及零漂更强更稳定的优异特点，被广泛应用于可穿戴，物联网，智能定位器等多个领域，该产品的量程范围+/-32g，具有14位分辨率，采用2*2*0.95 mm3的LGA封装，支持I2C&SPI的接口。
上海矽睿科技有限公司从事高端MEMS传感器业务。公司以消费电子、汽车、工业控制、通信与医疗等领域为主要目标市场，设计和生产优质传感器产品，并为客户提供相应的系统解决方案和服务。我们拥有自主知识产权的磁传感器、加速度传感器、压力传感器、光传感器以及世界领先的CMOS集成六轴组合传感器技术。矽睿科技以推动传感技术发展为使命，与您一起创造更智能化的感知世界。
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