一、壓電式加速度傳感器核心設計
1、壓電陶瓷選型與極化處理過程
1）陶瓷材料特性
常用材料：PZT-5H（鋯鈦酸鉛）,居里溫度(Tc=250℃)，壓電常數d33=650×10-12C/N；
選型依據：
靈敏度要求：陶瓷片厚度t=2mm，直徑D=10mm，理論電荷輸出Q=d33.F(力F=m.a);
溫度穩定性：添加鈮鎂酸鉛（PMN）提升高溫性能（溫漂<0.5%/100℃）。
2）極化工藝參數
極化電場：E=3kV/mm，時間t=30min，溫度T=120℃；
極化后處理：銀電極燒結（溫度850℃，時間2h）,阻抗<1Ω；
3）封裝結構設計
預緊力控制:不銹鋼基座+彈簧預緊（預緊力F=50N）,避免諧振頻率偏移；
密封防護：激光焊接外殼（氬氣保護）,IP67防護等級。
2、壓電加速度傳感器接口電路設計
1）電荷放大器電路
核心器件：HMS的HS-01（輸入偏置電流0.1A），噪聲密度4nVHz；
電路參數：反饋電容Cf=1pF，反饋電阻Rf=10GΩ（采用多個100MΩ電阻串聯）；
帶寬計算: flow=1/(2πRfCf)=0.016Hz，fhigh=10kHz（由運放增益帶寬積決定）；
PCB布局要點：輸入信號走線長度<5mm，避免引入寄生電容；
反饋網絡采用Guard Ring（保護環）隔離漏電流，材料選用FR-4基板+聚酰亞胺覆蓋層;
2）低噪聲電源設計
供電方案：
正負電源：HMAA5901（+15V，噪聲4.17μVRMS+BSS777（-15V）；
退耦電容：每顆運放電源引腳并聯10μF鉭電容100nF陶瓷電容；
3）抗干擾設計
EMI濾波：傳感器輸入端串聯共模扼流圈（AMS的A2222-2s），截止頻率1MHz；
屏蔽措施：傳感器外殼與PCB地單點連接，屏蔽線采用雙層編織銅網（覆蓋率>95%）；
二、加速度傳感器電路板硬件設計詳解（覆蓋布局、信號鏈、測試）
1、四層PCB堆疊設計參數
PCB層 | 功能 | 厚度 | 材質 |
Layer 1 | 信號走線（傳感器放大器） | 0.035 mm | 2oz銅箔+阻焊層 |
Layer 2 | 模擬地平面（完整覆銅） | 0.2 mm | FR-4(介電常數4.5) |
Layer 3 | 電源平面（±15V,5V分割） | 0.2 mm | FR-4 |
Bottom | 數字信號（ADC/通信） | 0.035 mm | 2oz銅箔+阻焊層 |
關鍵設計規則：
模擬信號與數字信號垂直交叉，間距>3mm；
敏感信號線（如電荷放大器輸出）禁止跨越電源分割槽；
2、信號鏈電路設計實例
1）完整信號鏈拓撲：
壓電陶瓷→電荷放大器→二階低通濾波→24位ADC→微處理器
2）二階低通濾波器設計：
運放：AI的HM02（GBW=10MHz，噪聲5.5nVHz）;
參數計算：截止頻率fc=1kHz，選擇巴特沃斯響應;
R1=R2=10kΩ，C1=15.9nF，C2=7.96nF；
仿真結果：通帶波動<0.1dB，阻帶衰減-40dB/dec；
3）ADC驅動電路：
緩沖器：AMS的02（壓擺率55V/μs），確保建立時間<1μs；
基準電壓：AH003（溫漂3ppm/℃），噪聲3μVPP；
3、電路板實測數據，后期通過實測驗證
靈敏度測試：輸入加速度10g（頻率100 Hz），輸出電荷 Q=6.5pC，誤差<1%；
噪聲測試：輸入端短路，輸出噪聲密度2μgHz@1 kHz；
溫漂測試：溫度從-40到85℃，靈敏度變化0.8%；
三、加速度傳感器設計優化及用戶價值提升
1、內容結構化策略
技術對比表格（示例）：
傳感器類型 | 靈敏度 | 帶寬 | 適用場景 |
壓電陶瓷 | 10mV/g | 0.1-10kHz | 工業振動監測 |
MEMS | 0.5 mV/g | 0 -2kHz | 消費電子 |
設計圖與數據圖：
技術工程師根據要求畫出壓電陶瓷極化工藝流程圖、電荷放大器PCB布局實物圖。
以及實測噪聲頻譜圖（橫軸頻率、縱軸加速度密度）；
2、用戶痛點及解決方案
痛點：高頻諧振導致信號失真
解決方案：
1）機械設計：陶瓷片與質量塊之間添加硅膠阻尼層（阻尼系數ζ=0.7）；
2）電路設計：陷波濾波器（中心頻率f0=25kHz，Q值 50）。
四、加速度傳感器生產與測試流程
1、陶瓷片批量極化：采用真空極化設備，合格率如>99%，合格；
2、電路板功能測試：使用振動臺（品牌如B&K4809）+數據采集卡（萬源恒興HX4004）同步采集；
3、老化測試：高溫高濕（85℃/85% RH）下持續工作500小時，靈敏度漂移（<1%）；
總結：本文通過將壓電陶瓷材料特性、電路板級設計參數與實測數據融合，并輔以生產測試流程，
可滿足用戶對壓電式加速度傳感器的了解。
