ADXL150和ADXL250是ADI公司最新一代的表面微加工單芯片加速度計。與具有里程碑意義的ADXL50一樣，新器件包括信號調理電路和傳感器，它們在單個單芯片上共同制造，以極低的成本和高可靠性提供加速度測量。與ADXL50一樣，傳感器結構為差分電容，但經過修改以利用生產數百萬個ADXL50的經驗，進一步推進微機械傳感器設計的最新技術。

傳感器：圖1中的輪廓比較了ADXL50和ADXL150中使用的傳感器。兩個傳感器在可移動中心構件的每一側都有許多手指;它們構成一組并聯差分電容器的中心板。連接到基板上的固定手指對與光束手指交錯以形成外部電容器板。橫梁由系繩支撐，系繩用作機械彈簧。移動板上的電壓通過支撐梁的導電系繩錨讀取。

圖1.ADXL50（頂部）和ADXL150（底部）的輪廓圖。運動軸是垂直的。

多晶硅支撐彈簧（系繩）非常可靠。許多設備已經通過以相當于 250 倍重力偏轉光束>進行了測試，> 7x1010循環，零故障，作為產品認證過程的一部分。

ADXL50的系繩以“H”形配置從光束中直接伸出。然而，在ADXL150上，系繩被折疊，從而減小了傳感器的尺寸，并將錨點數量減半（圖2）。由于每個錨點都會增加寄生電容，因此較少的錨點數量可降低容性負載，從而提高傳感器的加速靈敏度。此外，系繩幾何形狀最大限度地減少了對機械模具應力的敏感性;這使得ADXL150可以采用標準Cerdip和表面貼裝CERPAK封裝，與金屬罐相比，這些封裝需要更高的密封溫度（和相關熱應力）。折疊系線首先用于低g加速度計ADXL05;其更高的靈敏度使模具應力更加受到關注。

圖2.ADXL150傳感器一端的部分航拍SEM視圖。

除了從光束兩側伸出的感應指外，ADXL150還有12個力指（在光束兩端附近可見），用于自檢致動。平行板電容器的極板以以下靜電力相互吸引：

其中ε是板之間材料的介電常數，A是板的面積，V是電容器兩端的電壓，d是板之間的距離。

在正常操作中，力指兩側的固定手指與光束及其手指處于相同的電壓電位。在光束上的力指和基板上的固定指之間沒有電壓的情況下，沒有靜電力。但是，當激活數字自檢輸入引腳時，力部分一側的固定手指被驅動到非零直流電壓，對感應手指施加力，使光束偏轉。強制電壓經過激光調整，以在光束上產生相當于 10 g 加速度的凈靜電力。該電壓將取決于每個單獨設備的特定電氣和機械特性。

自檢電路獨立于正常加速度計信號路徑工作。當自檢被激活時，設備以與加速整個設備產生的撓度相同的方式測量它產生的偏轉。由于傳感器的滿量程偏轉僅為電容器手指之間間隙的1.5%左右，因此自檢響應幾乎是恒定的，增加了任何現有加速度引起的撓度。與外部施加的加速度一樣，自檢電路產生的偏轉充分利用正常工作加速度計的測量電路來生成輸出，因此它是設備正常運行能力的高度可靠指標。

電路架構：如圖3所示，固定手指由反相方波驅動。ADXL50在激勵和光束之間使用直流偏置作為提供力平衡反饋路徑的手段，而ADXL150則不同，ADXL100采用開環架構。當光束上的平均直流電壓為零時，激勵方波可以擺動到電源軌，光束偏置在電源電壓的一半。ADXL150中<> kHz激勵的幅度越大，對電子設備噪聲的靈敏度越低，也是提高噪聲性能的一個因素。

圖3.ADXL150電氣框圖

如果光束完全居中，則差分電容器的兩側具有相等的電容，并且光束上的交流電壓為零。但是，如果光束由于施加的加速度（或自檢偏轉）而偏離中心，則差分電容器將變得不平衡。波束波形是一個方波，其振幅與位移量成正比，因此與加速度大小成正比。光束電壓相對于激勵的相位決定了加速度極性。

波束輸出直接連接到同相放大器，該放大器為高阻抗波束節點提供緩沖，并為100 kHz輸出信號提供增益。

輸出在同步解調器中進行解調，該解調器在激勵周期的每一半穩定后對放大器輸出進行采樣。通過檢測放大器在兩種狀態下的輸出電平之間的差異，可以消除放大器的失調電壓，就像斬波穩定放大器一樣。由于解調器與激勵相位同步，因此輸出信號極性可以正確指示施加加速度的方向。

ADXL150內置一個增益為2貝塞爾的3極點低通濾波器[ADXL250包括一個用于每個通道的2極點濾波器]。這些濾波器可用于防止解調器輸出中的高頻分量與相關數據采集電路中的A/D轉換器時鐘頻率混疊。濾波器的第二個輸入連接到增益為1/6的電阻分壓器，并引出到封裝引腳。它為加速度計提供了一個方便的失調調整點，施加電壓的凈增益為+0.5。

由于廣泛使用CMOS邏輯，并且開環架構允許更簡單的信號調理電路，因此該器件在1V（包括8極輸出濾波器）時僅消耗5.2 mA電源電流，比ADXL80降低>50%。

增加的激勵電平以及精心執行的斬波器調制/解調技術使噪聲密度僅為1mg/√Hz，不到ADXL1的6/50。改進的動態范圍使ADXL150可用于機器健康、振動監控、沖擊檢測和儀器儀表等應用。

ADXL150的靈敏度為38mV/g，在輸出引腳處測量。滿量程范圍為 ±50 g，總信號擺幅為 3.8 V，采用 5V 單電源供電。這種重要的輸出電壓范圍使設計人員能夠充分利用單電源A/D轉換器的輸入范圍，例如微處理器系統中的輸入范圍。

輸出電壓由以下關系給出：

α 是以 gs （1 g ≈ 9.8 m/s 表示的外加加速度2），和VS是電源和基準電壓，標稱值為 5 V。如果VS也用作比率式 A/D 轉換器的參考，系統將拒絕VS.當施加的加速度為零時，ADXL150的輸出為VS/2，這是 A/D 轉換器的半量程。便VS不完全是5 V，A/D轉換器的數字輸出代碼仍為半量程。對于任何應用的加速度，A/D 轉換器的輸出將基本上與VS.

無需外部操作濾波器的失調，該器件可在電源電壓的一半處提供一個方便的參考點。可以使用外部運算放大器（圖 4），以獲得相對于該電壓的額外增益，以提高加速度計的靈敏度。該電路中可以使用一個額外的外部電容器，在內部兩極濾波器之后添加第三個極點。失調可以通過注入外部放大器的求和節點的電流來調節。

圖4.ADXL150內置一個外部運算放大器，可提供額外的增益和濾波功能。

ADXL250增加了一個新的維度：ADXL250是一款單芯片（圖5），可測量給定平面（例如，向前-后向和左右）加速度的x和y坐標。由于ADXL150傳感器的靈敏軸位于芯片平面內，因此可以在同一芯片上制造雙傳感器，其中一個傳感器與另一個傳感器旋轉90度。ADXL250是全球首款商用雙軸單芯片加速度計。

圖5.ADXL250框圖（上圖）和部分芯片照片，顯示芯片平面上直角的傳感器（上圖）。

兩個通道共享時鐘發生器、解調器時序、自檢邏輯和偏置電壓。每個傳感器通過自己的CMOS逆變器驅動器接收時鐘信號，傳感器產生的信號完全獨立處理。

單個自檢引腳可同時激活兩個傳感器，從而簡化了與微處理器的接口。與ADXL150一樣，測試信號使每個傳感器偏轉的幅度相當于10 g加速度。每個通道都有自己的失調調整引腳和自己的輸出電壓引腳。兩個通道具有相同的靈敏度。

雙通道ADXL250的總電源電流典型值為3.5 mA（最大值為5 mA，包括輸出濾波器，僅為早期ADXL50典型電源電流的一半）。兩款器件均具有 A 和 J 版本，額定溫度范圍為 40 至 +85°C 和 0 至 +70°C。

如何使用它們？ADXL150是一款完整的片上傳感器。只需連接單個 5V 電源（具有干凈的輸出，由質量不錯的陶瓷電容器旁路接地），然后將輸出連接到其讀出目的地。

如果自檢引腳保持開路狀態，則內部下拉電阻可確保正常工作。由于沒有連接到失調調整引腳，輸出電壓未被修改。

要調整輸出零g電壓電平，請使用失調調整引腳。失調可以通過施加模擬直流電壓（包括電源電壓或地）來調節。計算機控制可以通過多種方式實現，例如，通過串行或并行D/A轉換器，或通過R-C平均器的調制占空比。可通過一個三態數字輸出位和一個串聯電阻器選擇三個失調調整值。

安裝和機械注意事項

當加速度計安裝在印刷電路板上時，IC成為更大的機械系統的一部分。50 g 的加速度會導致傳感器在 IC 封裝內偏轉;此外，PC板及其安裝結構會偏轉和變形。電路板的運動會產生一個錯誤的加速度信號，加速度計可以檢測到該信號。如果支撐結構的諧振頻率在信號頻帶內或不比濾波器滾降高多少，則PCB板及其安裝系統的振動將顯示在傳感器輸出中。

將這些影響降至最低的最佳方法是使安裝方案盡可能剛性，從而將系統加速度更忠實地傳遞到傳感器并增加諧振頻率。由于印刷電路板在其平面上的硬度比垂直于其表面的硬度高得多，因此加速度計的敏感軸（兩個軸，如果是雙軸）應該在電路板的平面上。由于ADXL150和ADXL250的敏感軸位于芯片平面內，并且芯片表面平行于封裝基極，因此加速度計只需焊接到電路板上即可獲得印刷電路板剛度的優勢。

如果敏感軸垂直于芯片平面（如一些批量微加工傳感器的情況），將封裝焊接到電路板上將使測量最容易受到PC板靈活性的影響。直角安裝系統可用于使敏感軸平行于印刷電路板，但安裝系統本身可能會變形，從而產生錯誤的加速度讀數。安裝系統和任何印刷電路板加勁肋都會增加加速度測量的成本。此外，安裝系統的額外質量降低了其諧振頻率，導致更大的錯誤加速度信號。

審核編輯：郭婷