单轴和双轴微机械加速度计的特点及安装注意事项

ADXL150和ADXL250代表ADI公司最新一代表面微机械加工单片加速度计。与具有里程碑意义的ADXL50（ 模拟对话 27-2,1993）一样，新设备包括信号调理电路和传感器，它们在单个单片机上进行加速测量以极低的成本和高可靠性。与ADXL50一样，传感器结构是差分电容器，但它经过修改，以利用从生产数百万ADXL50所获得的经验，进一步推进微机械传感器设计的最新技术。

传感器：图1中的轮廓比较了ADXL50和ADXL150中使用的传感器。两个传感器沿着可移动中心构件的每一侧具有多个指状物;它们构成了并联的差动电容器的中心板。连接到基板的成对固定指状物与指状物交错以形成外部电容器板。梁由系绳支撑，系绳用作机械弹簧。移动板上的电压通过支撑梁的导电系绳锚读取。

多晶硅支撑弹簧（系绳）非常可靠。作为产品认证过程的一部分，许多设备已经通过相当于> 250x重力的偏转梁进行了测试，测试结果为> 7x10 10 ，故障为零。

ADXL50的系绳以“H”形配置从梁上伸直。然而，在ADXL150上，系绳被折叠，减小了传感器的尺寸并减少了锚的数量（图2）。由于每个锚点都会增加寄生电容，因此较少数量的锚点会降低容性负载，从而提高传感器的加速度灵敏度。此外，系绳几何形状可最大限度地降低对机械模具应力的敏感性;这使得ADXL150可以采用标准的cerdip和表面贴装cerpak封装，与金属罐相比，需要更高的密封温度（和相关的热应力）。折叠的系绳首先用于ADXL05低 - g 加速度计;它的高灵敏度使得模具应力更受关注。

除了从光束两侧投射的感应手指外，ADXL150还有12个力手指（在光束两端附近可见） ，用于自检驱动。平行板电容器的板以静电力相互吸引：

其中ε是板之间材料的介电常数， A 是该区域在板上， V 是电容器两端的电压， d 是板之间的距离。

在正常操作中，固定的手指在力指的任一侧与光束及其指状物处于相同的电压电位。在梁上的力指和基板上的固定指之间没有电压，没有静电力。然而，当数字自测输入引脚被激活时，力部分一侧上的固定指状物被驱动到非零直流电压，向感测指状物施加力，使光束偏转。强制电压经过激光调整，在光束上产生相当于10 g加速度的净静电力。该电压取决于每个器件的特定电气和机械特性。

自测电路独立于正常的加速度计信号路径工作。当自检被激活时，它产生的偏转由装置测量，其方式与通过加速整个装置产生的偏转相同。由于传感器的满量程偏转仅为电容器指之间间隙的约1.5％，因此自测响应几乎恒定，增加了由任何现有加速度引起的偏转。与外部加速一样，自测电路产生的偏转充分利用了正常工作的加速度计的测量电路来产生输出，因此它是设备正常工作能力的高度可靠指标。

电路架构如图3所示，固定指状物由反相方波驱动。与ADXL50不同，后者在激励和光束之间使用直流偏置作为提供力平衡反馈路径的手段，ADXL150采用开环架构。当光束上的平均直流电压为零时，激励方波可以摆动到电源轨，光束偏置为电源电压的一半。 ADXL150中100 kHz激励的幅度越大，电子设备噪声的灵敏度就越低，并且是提高噪声性能的一个因素。

如果光束完全居中，两者都是差分电容器的两侧具有相等的电容，并且电子束上的交流电压为零。但是，如果光束由于施加的加速度（或自测偏转）而偏离中心，则差分电容器变得不平衡。波束波形是方波，其幅度与位移量成比例，因此与加速度大小成比例。相对于激励的射束电压相位确定加速极性。

光束输出直接连接到同相放大器，为高阻抗光束节点提供缓冲，并为100增益提供缓冲。 -kHz输出信号。

输出在同步解调器中解调，该放大器在激励周期的每一半稳定后对放大器输出进行采样。通过检测两个状态的放大器输出电平之间的差异，放大器的偏移电压被消除，非常类似于斩波稳定放大器。由于解调器与激励相位同步，输出信号极性正确地指示所施加的加速度的方向。

ADXL150板载有一个2极增益3贝塞尔低通滤波器[ADXL250见下面包括每个通道的2极滤波器]。这些滤波器可用于防止解调器输出中的高频分量与相关数据采集电路中的A / D转换器时钟频率混叠。滤波器的第二个输入连接到增益为1/6的电阻分压器，输出到封装引脚。它为加速度计提供了方便的偏移调整点，所施加电压的净增益为+0.5。

由于大量使用CMOS逻辑，开环架构允许更简单的信号调理电路该器件在5V时仅消耗1.8 mA的电源电流（包括2极输出滤波器），与ADXL50相比降低了80％。

使用的激励电平增加，以及精心执行的斩波器调制/解调技术，产生的噪声密度仅为1mg /√ Hz ，小于ADXL50的1/6。改进的动态范围使ADXL150可用于机器健康，振动监测，冲击感应和仪器仪表等应用。

ADXL150的灵敏度为38mV / g，在输出引脚上测量。满量程范围为±50 g，总信号摆幅为3.8 V，采用5 V单电源供电。这一显着的输出电压范围使设计人员能够充分利用单电源A / D转换器的输入范围，例如微处理器系统中的输入范围。

输出电压由以下关系式给出：

α是以gs表示的应用加速度（1 g ≈9.8m/ s 2 < / sup>）， V S 是电源和参考电压，标称值为5 V.如果 V S 也用作比例式A / D转换器的参考，系统将拒绝 V S 中的变化。施加零加速度时，ADXL150的输出为 V S / 2，这是A / D转换器的一半。即使 V S 不完全是5 V，A / D转换器的数字输出代码仍然会读取半量程。对于任何应用的加速度，A / D转换器的输出基本上与 V S 中的变化无关。

无需对滤波器进行外部操作偏移时，器件在电源电压的一半处提供方便的参考点。可以使用外部运算放大器（图4），以获得与此电压相关的额外增益，从而提高加速度计的灵敏度。在该电路中可以使用额外的外部电容，以在内部双极滤波器之后添加第三个极点。可以通过注入外部放大器求和节点的电流来调整偏移。

ADXL250增加了一个新的尺寸：ADXL250，一个单芯片（图5），测量给定平面（例如，前后和左右）中的加速度的 x 和 y 坐标。由于ADXL150传感器的敏感轴位于芯片平面内，因此可以在同一个芯片上制造双传感器，其中一个传感器与另一个芯片旋转90度。 ADXL250是世界上第一款商用双轴单片加速度计。

两个通道共享时钟发生器，解调器时序，自测逻辑和偏置电压。每个传感器通过自己的CMOS逆变器驱动器接收时钟信号，传感器产生的信号完全独立处理。

单个自检引脚同时激活两个传感器，简化了与微处理器的接口。与ADXL150一样，测试信号使每个传感器偏转相当于10- g 加速度的量。每个通道都有自己的偏移调整引脚和自己的输出电压引脚。两个通道具有相同的灵敏度。

双通道ADXL250的总电源电流通常为3.5 mA（最大5 mA，包括输出滤波器 - 仅为早期典型电源电流的一半） ADXL50）。两种器件均具有A和J版本，温度范围为-40至+ 85°C和0至+ 70°C。

如何使用它们？ADXL150是芯片上的完整传感器。只需连接一个5 V电源（干净的输出，通过质量不错的陶瓷电容旁路接地）并将输出连接到其读出目的地。

如果自检引脚保持开路，内部下拉电阻可确保正常工作。如果没有连接到偏移调整引脚，则输出电压不会被修改。

要调整输出零 - g 电压电平，请使用偏移调整引脚。可以通过施加模拟直流电压（包括电源电压或地）来调整偏移。计算机控制可以以各种方式实现，例如，通过串行或并行D / A转换器，或通过具有R-C平均器的调制占空比。使用三态数字输出位和串联电阻可以实现三种偏移调整值的选择。

ADXL150和ADXL250由ADI公司微机械产品部门的多学科产品团队开发，Wilmington ，MA 。

安装和机械注意事项

当加速度计安装在PC板上时，IC成为更大机械的一部分系统。 50 g的加速度导致传感器在IC封装内偏转;此外，PC板及其安装结构将偏转和变形。电路板的运动产生一个假加速度信号，加速度计可以感知到该信号。如果支撑结构的共振频率在信号带内或不高于滤波器滚降，则PC板及其安装系统的振动将显示在传感器输出中。

最大限度地减少这些影响的最佳方法是使安装方案尽可能坚固，从而更加忠实地将系统加速传输到传感器并增加共振频率。由于PC板在其平面上比垂直于其表面更硬，因此加速度计的敏感轴（两个轴，如果是双轴）应位于板的平面内。由于ADXL150和ADXL250的敏感轴位于芯片平面内，并且芯片表面与封装底座平行，因此加速度计只需焊接到电路板上即可获得PC板刚度的好处。

如果敏感轴垂直于芯片平面（如某些体微加工传感器的情况），将封装焊接到电路板会使测量最容易受到PC板灵活性的影响。可以使用直角安装系统使敏感轴平行于PC板定向，但安装系统本身可能会变形，从而产生错误的加速度读数。安装系统和任何PC板加强件都会增加加速度测量的成本。此外，安装系统的额外质量会降低其共振频率，从而导致更大的假加速度信号。