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加速度计芯片的频率响应范围与谐振频率之间的关系

加速度计芯片的频率响应范围与谐振频率之间的关系

July 24, 2025

加速度计芯片的谐振频率是一个非常重要的性能指标,它与传感器的工作频率范围有关。

1. 共振频率的定义

加速度传感器本身也是一种机械结构,因此也具有固有频率。如图1所示的幅频曲线所示,当外部振动频率接近谐振频率时,传感器会发生谐振,加速度传感器的灵敏度会迅速增加。此时对应的频率即为谐振频率。

Accelerometer amplitude-frequency curve

2. 谐振频率对传感器性能的影响

传感器尺寸越小,谐振频率越高。加速度计的上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率。通常,加速度计传感器的工作频率范围小于其自身谐振频率的1/3。当被测振动频率远低于谐振频率时,加速度计的信号输出与被测加速度成正比。

3. 影响共振频率的因素

如上所述,如果提高传感器芯片的谐振频率,可以拓宽其工作频率范围,使传感器的平坦频带变宽,工作范围增大,从而使加速度计能够应用于更多场景,适用性更佳。但实际上,谐振频率的提升也受到限制。根据以下公式,质量块越小,谐振频率越大。

其中 f0 为谐振频率,K 为加速度计的等效刚度,M 为传感器的等效质量。

因此,谐振频率是决定加速度计可用频率响应范围的硬性限制因素。合理的设计和应用要求工作频率限制在谐振频率的1/3以内,在高精度应用中,为了确保线性度和可靠性,工作频率需要限制在谐振频率的1/5以内。如图2所示,ADXL356的频率响应谐振频率约为5.5kHz,3dB带宽为2.5kHz。在高精度应用中,低通滤波器的截止频率通常设置为小于1kHz。

Frequency response curve of ADXL356 accelerometer

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