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(diào)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(jié)構(gòu)為差分電容，但經(jīng)過修改以利用生產(chǎn)數(shù)百萬個ADXL50的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步推進(jìn)微機(jī)械傳感器設(shè)計的最新技術(shù)。

傳感器：圖1中的輪廓比較了ADXL50和ADXL150中使用的傳感器。兩個傳感器在可移動中心構(gòu)件的每一側(cè)都有許多手指;它們構(gòu)成一組并聯(lián)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(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。

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

多晶硅支撐彈簧（系繩）非?？煽?。許多設(shè)備已經(jīng)通過以相當(dāng)于 250 倍重力偏轉(zhuǎn)光束>進(jìn)行了測試，> 7x1010循環(huán)，零故障，作為產(chǎn)品認(rèn)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(diǎn)數(shù)量減半（圖2）。由于每個錨點(diǎn)都會增加寄生電容，因此較少的錨點(diǎn)數(shù)量可降低容性負(fù)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(jī)械模具應(yīng)力的敏感性;這使得ADXL150可以采用標(biāo)準(zhǔn)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(guān)熱應(yīng)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(yīng)力更加受到關(guān)注。

圖2.ADXL150傳感器一端的部分航拍SEM視圖。

除了從光束兩側(cè)伸出的感應(yīng)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(shù)，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(cè)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(dāng)激活數(shù)字自檢輸入引腳時，力部分一側(cè)的固定手指被驅(qū)動到非零直流電壓，對感應(yīng)手指施加力，使光束偏轉(zhuǎn)。強(qiáng)制電壓經(jīng)過激光調(diào)整，以在光束上產(chǎn)生相當(dāng)于 10 g 加速度的凈靜電力。該電壓將取決于每個單獨(dú)設(shè)備的特定電氣和機(jī)械特性。

自檢電路獨(dú)立于正常加速度計信號路徑工作。當(dāng)自檢被激活時，設(shè)備以與加速整個設(shè)備產(chǎn)生的撓度相同的方式測量它產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)。由于傳感器的滿量程偏轉(zhuǎn)僅為電容器手指之間間隙的1.5%左右，因此自檢響應(yīng)幾乎是恒定的，增加了任何現(xiàn)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(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)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(shè)備正常運(yùn)行能力的高度可靠指標(biāo)。

電路架構(gòu)：如圖3所示，固定手指由反相方波驅(qū)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(huán)架構(gòu)。當(dāng)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(shè)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(cè)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(zhuǎn)）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(jié)點(diǎn)提供緩沖，并為100 kHz輸出信號提供增益。

輸出在同步解調(diào)器中進(jìn)行解調(diào)，該解調(diào)器在激勵周期的每一半穩(wěn)定后對放大器輸出進(jìn)行采樣。通過檢測放大器在兩種狀態(tài)下的輸出電平之間的差異，可以消除放大器的失調(diào)電壓，就像斬波穩(wěn)定放大器一樣。由于解調(diào)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(nèi)置一個增益為2貝塞爾的3極點(diǎn)低通濾波器[ADXL250包括一個用于每個通道的2極點(diǎn)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(diào)調(diào)整點(diǎn)，施加電壓的凈增益為+0.5。

由于廣泛使用CMOS邏輯，并且開環(huán)架構(gòu)允許更簡單的信號調(diào)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(zhí)行的斬波器調(diào)制/解調(diào)技術(shù)使噪聲密度僅為1mg/√Hz，不到ADXL1的6/50。改進(jìn)的動態(tài)范圍使ADXL150可用于機(jī)器健康、振動監(jiān)控、沖擊檢測和儀器儀表等應(yīng)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(shè)計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(zhǔn)電壓，標(biāo)稱值為 5 V。如果VS也用作比率式 A/D 轉(zhuǎn)換器的參考，系統(tǒng)將拒絕VS.當(dāng)施加的加速度為零時，ADXL150的輸出為VS/2，這是 A/D 轉(zhuǎn)換器的半量程。便VS不完全是5 V，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出代碼仍為半量程。對于任何應(yīng)用的加速度，A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出將基本上與VS.

無需外部操作濾波器的失調(diào)，該器件可在電源電壓的一半處提供一個方便的參考點(diǎn)?？梢允褂猛獠?a target="_blank">運(yùn)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(nèi)部兩極濾波器之后添加第三個極點(diǎn)。失調(diào)可以通過注入外部放大器的求和節(jié)點(diǎn)的電流來調(diào)節(jié)。

圖4.ADXL150內(nèi)置一個外部運(yùn)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(biāo)。由于ADXL150傳感器的靈敏軸位于芯片平面內(nèi)，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(zhuǎn)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(fā)生器、解調(diào)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(qū)動器接收時鐘信號，傳感器產(chǎn)生的信號完全獨(dú)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(zhuǎn)的幅度相當(dāng)于10 g加速度。每個通道都有自己的失調(diào)調(diào)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(zhì)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(tài)，則內(nèi)部下拉電阻可確保正常工作。由于沒有連接到失調(diào)調(diào)整引腳，輸出電壓未被修改。

要調(diào)整輸出零g電壓電平，請使用失調(diào)調(diào)整引腳。失調(diào)可以通過施加模擬直流電壓（包括電源電壓或地）來調(diào)節(jié)。計算機(jī)控制可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，例如，通過串行或并行D/A轉(zhuǎn)換器，或通過R-C平均器的調(diào)制占空比?？赏ㄟ^一個三態(tài)數(shù)字輸出位和一個串聯(lián)電阻器選擇三個失調(diào)調(diào)整值。

安裝和機(jī)械注意事項

當(dāng)加速度計安裝在印刷電路板上時，IC成為更大的機(jī)械系統(tǒng)的一部分。50 g 的加速度會導(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)會偏轉(zhuǎn)和變形。電路板的運(yùn)動會產(chǎn)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(jié)構(gòu)的諧振頻率在信號頻帶內(nèi)或不比濾波器滾降高多少，則PCB板及其安裝系統(tǒng)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(tǒng)加速度更忠實(shí)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(yīng)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(nèi)，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(yōu)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(tǒng)可用于使敏感軸平行于印刷電路板，但安裝系統(tǒng)本身可能會變形，從而產(chǎn)生錯誤的加速度讀數(shù)。安裝系統(tǒng)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(tǒng)的額外質(zhì)量降低了其諧振頻率，導(dǎo)致更大的錯誤加速度信號。

審核編輯：郭婷