ADXL150和ADXL250代表ADI公司最新一代表面微機(jī)械加工單片加速度計(jì)。與具有里程碑意義的ADXL50（ 模擬對話 27-2,1993）一樣，新設(shè)備包括信號調(diào)理電路和傳感器，它們在單個(gè)單片機(jī)上進(jìn)行加速測量以極低的成本和高可靠性。與ADXL50一樣，傳感器結(jié)構(gòu)是差分電容器，但它經(jīng)過修改，以利用從生產(chǎn)數(shù)百萬ADXL50所獲得的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步推進(jìn)微機(jī)械傳感器設(shè)計(jì)的最新技術(shù)。

傳感器：圖1中的輪廓比較了ADXL50和ADXL150中使用的傳感器。兩個(gè)傳感器沿著可移動中心構(gòu)件的每一側(cè)具有多個(gè)指狀物;它們構(gòu)成了并聯(lián)的差動電容器的中心板。連接到基板的成對固定指狀物與指狀物交錯(cuò)以形成外部電容器板。梁由系繩支撐，系繩用作機(jī)械彈簧。移動板上的電壓通過支撐梁的導(dǎo)電系繩錨讀取。

多晶硅支撐彈簧（系繩）非常可靠。作為產(chǎn)品認(rèn)證過程的一部分，許多設(shè)備已經(jīng)通過相當(dāng)于> 250x重力的偏轉(zhuǎn)梁進(jìn)行了測試，測試結(jié)果為> 7x10 10 ，故障為零。

ADXL50的系繩以“H”形配置從梁上伸直。然而，在ADXL150上，系繩被折疊，減小了傳感器的尺寸并減少了錨的數(shù)量（圖2）。由于每個(gè)錨點(diǎn)都會增加寄生電容，因此較少數(shù)量的錨點(diǎn)會降低容性負(fù)載，從而提高傳感器的加速度靈敏度。此外，系繩幾何形狀可最大限度地降低對機(jī)械模具應(yīng)力的敏感性;這使得ADXL150可以采用標(biāo)準(zhǔn)的cerdip和表面貼裝cerpak封裝，與金屬罐相比，需要更高的密封溫度（和相關(guān)的熱應(yīng)力）。折疊的系繩首先用于ADXL05低 - g 加速度計(jì);它的高靈敏度使得模具應(yīng)力更受關(guān)注。

除了從光束兩側(cè)投射的感應(yīng)手指外，ADXL150還有12個(gè)力手指（在光束兩端附近可見） ，用于自檢驅(qū)動。平行板電容器的板以靜電力相互吸引：

其中ε是板之間材料的介電常數(shù)， A 是該區(qū)域在板上， V 是電容器兩端的電壓， d 是板之間的距離。

在正常操作中，固定的手指在力指的任一側(cè)與光束及其指狀物處于相同的電壓電位。在梁上的力指和基板上的固定指之間沒有電壓，沒有靜電力。然而，當(dāng)數(shù)字自測輸入引腳被激活時(shí)，力部分一側(cè)上的固定指狀物被驅(qū)動到非零直流電壓，向感測指狀物施加力，使光束偏轉(zhuǎn)。強(qiáng)制電壓經(jīng)過激光調(diào)整，在光束上產(chǎn)生相當(dāng)于10 g加速度的凈靜電力。該電壓取決于每個(gè)器件的特定電氣和機(jī)械特性。

自測電路獨(dú)立于正常的加速度計(jì)信號路徑工作。當(dāng)自檢被激活時(shí)，它產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)由裝置測量，其方式與通過加速整個(gè)裝置產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)相同。由于傳感器的滿量程偏轉(zhuǎn)僅為電容器指之間間隙的約1.5％，因此自測響應(yīng)幾乎恒定，增加了由任何現(xiàn)有加速度引起的偏轉(zhuǎn)。與外部加速一樣，自測電路產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)充分利用了正常工作的加速度計(jì)的測量電路來產(chǎn)生輸出，因此它是設(shè)備正常工作能力的高度可靠指標(biāo)。

電路架構(gòu)如圖3所示，固定指狀物由反相方波驅(qū)動。與ADXL50不同，后者在激勵(lì)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，ADXL150采用開環(huán)架構(gòu)。當(dāng)光束上的平均直流電壓為零時(shí)，激勵(lì)方波可以擺動到電源軌，光束偏置為電源電壓的一半。 ADXL150中100 kHz激勵(lì)的幅度越大，電子設(shè)備噪聲的靈敏度就越低，并且是提高噪聲性能的一個(gè)因素。

如果光束完全居中，兩者都是差分電容器的兩側(cè)具有相等的電容，并且電子束上的交流電壓為零。但是，如果光束由于施加的加速度（或自測偏轉(zhuǎn)）而偏離中心，則差分電容器變得不平衡。波束波形是方波，其幅度與位移量成比例，因此與加速度大小成比例。相對于激勵(lì)的射束電壓相位確定加速極性。

光束輸出直接連接到同相放大器，為高阻抗光束節(jié)點(diǎn)提供緩沖，并為100增益提供緩沖。 -kHz輸出信號。

輸出在同步解調(diào)器中解調(diào)，該放大器在激勵(lì)周期的每一半穩(wěn)定后對放大器輸出進(jìn)行采樣。通過檢測兩個(gè)狀態(tài)的放大器輸出電平之間的差異，放大器的偏移電壓被消除，非常類似于斬波穩(wěn)定放大器。由于解調(diào)器與激勵(lì)相位同步，輸出信號極性正確地指示所施加的加速度的方向。

ADXL150板載有一個(gè)2極增益3貝塞爾低通濾波器[ADXL250見下面包括每個(gè)通道的2極濾波器]。這些濾波器可用于防止解調(diào)器輸出中的高頻分量與相關(guān)數(shù)據(jù)采集電路中的A / D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘頻率混疊。濾波器的第二個(gè)輸入連接到增益為1/6的電阻分壓器，輸出到封裝引腳。它為加速度計(jì)提供了方便的偏移調(diào)整點(diǎn)，所施加電壓的凈增益為+0.5。

由于大量使用CMOS邏輯，開環(huán)架構(gòu)允許更簡單的信號調(diào)理電路該器件在5V時(shí)僅消耗1.8 mA的電源電流（包括2極輸出濾波器），與ADXL50相比降低了80％。

使用的激勵(lì)電平增加，以及精心執(zhí)行的斬波器調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，產(chǎn)生的噪聲密度僅為1mg /√ Hz ，小于ADXL50的1/6。改進(jìn)的動態(tài)范圍使ADXL150可用于機(jī)器健康，振動監(jiān)測，沖擊感應(yīng)和儀器儀表等應(yīng)用。

ADXL150的靈敏度為38mV / g，在輸出引腳上測量。滿量程范圍為±50 g，總信號擺幅為3.8 V，采用5 V單電源供電。這一顯著的輸出電壓范圍使設(shè)計(jì)人員能夠充分利用單電源A / D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，例如微處理器系統(tǒng)中的輸入范圍。

輸出電壓由以下關(guān)系式給出：

α是以gs表示的應(yīng)用加速度（1 g ≈9.8m/ s 2 < / sup>）， V S 是電源和參考電壓，標(biāo)稱值為5 V.如果 V S 也用作比例式A / D轉(zhuǎn)換器的參考，系統(tǒng)將拒絕 V S 中的變化。施加零加速度時(shí)，ADXL150的輸出為 V S / 2，這是A / D轉(zhuǎn)換器的一半。即使 V S 不完全是5 V，A / D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出代碼仍然會讀取半量程。對于任何應(yīng)用的加速度，A / D轉(zhuǎn)換器的輸出基本上與 V S 中的變化無關(guān)。

無需對濾波器進(jìn)行外部操作偏移時(shí)，器件在電源電壓的一半處提供方便的參考點(diǎn)。可以使用外部運(yùn)算放大器（圖4），以獲得與此電壓相關(guān)的額外增益，從而提高加速度計(jì)的靈敏度。在該電路中可以使用額外的外部電容，以在內(nèi)部雙極濾波器之后添加第三個(gè)極點(diǎn)。可以通過注入外部放大器求和節(jié)點(diǎn)的電流來調(diào)整偏移。

ADXL250增加了一個(gè)新的尺寸：ADXL250，一個(gè)單芯片（圖5），測量給定平面（例如，前后和左右）中的加速度的 x 和 y 坐標(biāo)。由于ADXL150傳感器的敏感軸位于芯片平面內(nèi)，因此可以在同一個(gè)芯片上制造雙傳感器，其中一個(gè)傳感器與另一個(gè)芯片旋轉(zhuǎn)90度。 ADXL250是世界上第一款商用雙軸單片加速度計(jì)。

兩個(gè)通道共享時(shí)鐘發(fā)生器，解調(diào)器時(shí)序，自測邏輯和偏置電壓。每個(gè)傳感器通過自己的CMOS逆變器驅(qū)動器接收時(shí)鐘信號，傳感器產(chǎn)生的信號完全獨(dú)立處理。

單個(gè)自檢引腳同時(shí)激活兩個(gè)傳感器，簡化了與微處理器的接口。與ADXL150一樣，測試信號使每個(gè)傳感器偏轉(zhuǎn)相當(dāng)于10- g 加速度的量。每個(gè)通道都有自己的偏移調(diào)整引腳和自己的輸出電壓引腳。兩個(gè)通道具有相同的靈敏度。

雙通道ADXL250的總電源電流通常為3.5 mA（最大5 mA，包括輸出濾波器 - 僅為早期典型電源電流的一半） ADXL50）。兩種器件均具有A和J版本，溫度范圍為-40至+ 85°C和0至+ 70°C。

如何使用它們？ADXL150是芯片上的完整傳感器。只需連接一個(gè)5 V電源（干凈的輸出，通過質(zhì)量不錯(cuò)的陶瓷電容旁路接地）并將輸出連接到其讀出目的地。

如果自檢引腳保持開路，內(nèi)部下拉電阻可確保正常工作。如果沒有連接到偏移調(diào)整引腳，則輸出電壓不會被修改。

要調(diào)整輸出零 - g 電壓電平，請使用偏移調(diào)整引腳。可以通過施加模擬直流電壓（包括電源電壓或地）來調(diào)整偏移。計(jì)算機(jī)控制可以以各種方式實(shí)現(xiàn)，例如，通過串行或并行D / A轉(zhuǎn)換器，或通過具有R-C平均器的調(diào)制占空比。使用三態(tài)數(shù)字輸出位和串聯(lián)電阻可以實(shí)現(xiàn)三種偏移調(diào)整值的選擇。

ADXL150和ADXL250由ADI公司微機(jī)械產(chǎn)品部門的多學(xué)科產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)開發(fā)，Wilmington ，MA 。

安裝和機(jī)械注意事項(xiàng)

當(dāng)加速度計(jì)安裝在PC板上時(shí)，IC成為更大機(jī)械的一部分系統(tǒng)。 50 g的加速度導(dǎo)致傳感器在IC封裝內(nèi)偏轉(zhuǎn);此外，PC板及其安裝結(jié)構(gòu)將偏轉(zhuǎn)和變形。電路板的運(yùn)動產(chǎn)生一個(gè)假加速度信號，加速度計(jì)可以感知到該信號。如果支撐結(jié)構(gòu)的共振頻率在信號帶內(nèi)或不高于濾波器滾降，則PC板及其安裝系統(tǒng)的振動將顯示在傳感器輸出中。

最大限度地減少這些影響的最佳方法是使安裝方案盡可能堅(jiān)固，從而更加忠實(shí)地將系統(tǒng)加速傳輸?shù)絺鞲衅鞑⒃黾庸舱耦l率。由于PC板在其平面上比垂直于其表面更硬，因此加速度計(jì)的敏感軸（兩個(gè)軸，如果是雙軸）應(yīng)位于板的平面內(nèi)。由于ADXL150和ADXL250的敏感軸位于芯片平面內(nèi)，并且芯片表面與封裝底座平行，因此加速度計(jì)只需焊接到電路板上即可獲得PC板剛度的好處。

如果敏感軸垂直于芯片平面（如某些體微加工傳感器的情況），將封裝焊接到電路板會使測量最容易受到PC板靈活性的影響。可以使用直角安裝系統(tǒng)使敏感軸平行于PC板定向，但安裝系統(tǒng)本身可能會變形，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的加速度讀數(shù)。安裝系統(tǒng)和任何PC板加強(qiáng)件都會增加加速度測量的成本。此外，安裝系統(tǒng)的額外質(zhì)量會降低其共振頻率，從而導(dǎo)致更大的假加速度信號。