一、压电式加速度传感器核心设计

1、压电陶瓷选型与极化处理过程 

1）陶瓷材料特性

常用材料：PZT-5H（锆钛酸铅）,居里温度(Tc=250℃)，压电常数d33=650×10^-12C/N； 

选型依据： 

灵敏度要求：陶瓷片厚度t=2mm，直径D=10mm，理论电荷输出Q=d₃₃.F(力F=m.a); 

温度稳定性：添加铌镁酸铅（PMN）提升高温性能（温漂<0.5%/100℃）。 

2）极化工艺参数

极化电场：E=3kV/mm，时间t=30min，温度T=120℃；

极化后处理：银电极烧结（温度850℃，时间2h）,阻抗<1Ω； 

3）封装结构设计

预紧力控制:不锈钢基座+弹簧预紧（预紧力F=50N）,避免谐振频率偏移； 

密封防护：激光焊接外壳（氩气保护）,IP67防护等级。 

2、压电加速度传感器接口电路设计

1）电荷放大器电路 

核心器件：HMS的HS-01（输入偏置电流0.1A），噪声密度4nVHz； 

电路参数：反馈电容C_f=1pF，反馈电阻R_f=10GΩ（采用多个100MΩ电阻串联）； 

带宽计算: f_low=1/(2πR_fC_f)=0.016Hz，f_high=10kHz（由运放增益带宽积决定）；

PCB布局要点：输入信号走线长度<5mm，避免引入寄生电容； 

反馈网络采用Guard Ring（保护环）隔离漏电流，材料选用FR-4基板+聚酰亚胺覆盖层; 

2）低噪声电源设计 

供电方案： 

正负电源：HMAA5901（+15V，噪声4.17μV_RMS+BSS777（-15V）； 

退耦电容：每颗运放电源引脚并联10μF钽电容100nF陶瓷电容； 

3）抗干扰设计

EMI滤波：传感器输入端串联共模扼流圈（AMS的A2222-2s），截止频率1MHz； 

屏蔽措施：传感器外壳与PCB地单点连接，屏蔽线采用双层编织铜网（覆盖率>95%）； 

二、加速度传感器电路板硬件设计详解（覆盖布局、信号链、测试）  

1、四层PCB堆叠设计参数

关键设计规则： 

模拟信号与数字信号垂直交叉，间距>3mm； 

敏感信号线（如电荷放大器输出）禁止跨越电源分割槽；

2、信号链电路设计实例

1）完整信号链拓扑： 

压电陶瓷→电荷放大器→二阶低通滤波→24位ADC→微处理器

2）二阶低通滤波器设计： 

运放：AI的HM02（GBW=10MHz，噪声5.5nVHz）; 

参数计算：截止频率f_c=1kHz，选择巴特沃斯响应;

R1=R2=10kΩ，C1=15.9nF，C2=7.96nF；

仿真结果：通带波动<0.1dB，阻带衰减-40dB/dec； 

3）ADC驱动电路： 

缓冲器：AMS的02（压摆率55V/μs），确保建立时间<1μs； 

基准电压：AH003（温漂3ppm/℃），噪声3μV_PP； 

3、电路板实测数据，后期通过实测验证  

灵敏度测试：输入加速度10g（频率100 Hz），输出电荷 Q=6.5pC，误差<1%； 

噪声测试：输入端短路，输出噪声密度2μgHz@1 kHz； 

温漂测试：温度从-40到85℃，灵敏度变化0.8%； 

三、加速度传感器设计优化及用户价值提升

1、内容结构化策略

技术对比表格（示例）： 

设计图与数据图： 

技术工程师根据要求画出压电陶瓷极化工艺流程图、电荷放大器PCB布局实物图。 

以及实测噪声频谱图（横轴频率、纵轴加速度密度）；

2、用户痛点及解决方案

痛点：高频谐振导致信号失真 

解决方案： 

1）机械设计：陶瓷片与质量块之间添加硅胶阻尼层（阻尼系数ζ=0.7）；

2）电路设计：陷波滤波器（中心频率f₀=25kHz，Q值 50）。 

四、加速度传感器生产与测试流程

1、陶瓷片批量极化：采用真空极化设备，合格率如>99%，合格； 

2、电路板功能测试：使用振动台（品牌如B&K4809）+数据采集卡（万源恒兴HX4004）同步采集；

3、老化测试：高温高湿（85℃/85% RH）下持续工作500小时，灵敏度漂移（<1%）；

总结：本文通过将压电陶瓷材料特性、电路板级设计参数与实测数据融合，并辅以生产测试流程，

可满足用户对压电式加速度传感器的了解。