雙軸、低g、完全集成的加速度計

ADXL202是ADI公司的低g（±2 g）、雙軸、表面微加工加速度計?；谶^去六年制造數(shù)百萬個iMEMS加速度計的經(jīng)驗，ADXL202是世界上首款商用雙軸表面微加工加速度計，將低g檢測與最低功耗、最低噪聲和數(shù)字輸出集成在單個硅芯片上。?

表面微加工首次通過ADXL50實現(xiàn)商業(yè)化，允許將加速度傳感器與所有信號調(diào)理電子器件集成在一起——傳感器及其信號調(diào)理的緊密集成使這種令人印象深刻的性能成為可能。

降低成本是ADXL202設(shè)計工作的主要驅(qū)動因素。集成兩個軸可顯著降低每個軸的成本。此外，雖然ADXL50、ADXL150和ADXL250可以被認(rèn)為是“加速度到伏特”傳感器，但ADXL202還增加了脈寬調(diào)制（PWM）數(shù)字輸出功能。由于大多數(shù)加速度計將與微控制器接口，PWM輸出無需A到D轉(zhuǎn)換器，從而進(jìn)一步降低了用戶的總系統(tǒng)成本。

傳感器結(jié)構(gòu)

與我們所有的加速度計產(chǎn)品一樣，傳感器元件是一個差分電容器，其輸出與加速度成正比（基本傳感器信息可以在 Analog Dialogue 27-2， 1993 和 Analog Dialogue 30-4， 1996） 中看到）。 由于器件性能非常依賴于傳感器設(shè)計，因此對光束設(shè)計中的一些關(guān)鍵因素進(jìn)行簡要說明是合適的。

光束由許多指組成。每組手指都可以可視化，如圖 1 所示。每個手指的差分電容與固定外板與移動手指之間的重疊面積以及移動手指的位移成正比。顯然，這些是非常小的電容器，為了降低噪聲和提高分辨率，我們需要盡可能大的差分電容。

圖1.單根手指的光束尺寸

電容器面積受2微米高度的限制（通過工藝技術(shù)固定），而（125微米）重疊在一定程度上是可調(diào)的。然而，由于幾個原因，更長的手指是不可取的。更長的手指更難制造，而增加的光束尺寸意味著更昂貴的零件。

光束的運動由固定光束的多晶硅彈簧控制。這些彈簧和光束的質(zhì)量遵循我們在高中學(xué)到的相同物理定律。根據(jù)牛頓第二定律，受加速度 （a） 影響的質(zhì)量 （m） 上的力 （F） 為 F = m a，約束彈簧的撓度 （x）（遵守胡克定律）與施加的力成正比， F = k x，

和： x = （m/k） a

我們控制的唯一兩個參數(shù)是彈簧剛度或彈簧常數(shù)（k）和質(zhì)量（m）。降低彈簧常數(shù)似乎是提高光束靈敏度的簡單方法。但像往常一樣，沒有什么是免費的。光束的諧振頻率與彈簧常數(shù)成正比，加速度計必須在低于諧振頻率的頻率下工作。此外，更高的彈簧常數(shù)使梁更堅固（更高的抗沖擊能力）。因此，如果我們想保持彈簧盡可能高，唯一需要改變的參數(shù)就是質(zhì)量。

增加質(zhì)量通常意味著更大的傳感器面積，導(dǎo)致更昂貴的零件，因為增加質(zhì)量以使光束更大的唯一方法。ADXL202發(fā)明了一種新穎的光束結(jié)構(gòu)，如圖2所示。與ADXL250（Analog Dialogue 30-4，1996年，第5頁，圖5）不同，構(gòu)成X軸和Y軸可變電容的手指沿單個方形波束的側(cè)面集成。這導(dǎo)致整體傳感器面積減小，但更大的公共光束質(zhì)量提高了ADXL202的分辨率。如圖3所示，位于橫梁角落的彈簧懸掛系統(tǒng)旨在最小化跨軸靈敏度（即，沿一個軸加速時，抑制了正交方向上的任何運動或輸出趨勢）。

圖2.ADXL202 光束結(jié)構(gòu)

圖3.顯示彈簧的ADXL202梁一角細(xì)節(jié)

電路架構(gòu)

ADXL4的電路架構(gòu)（如圖202所示）與解調(diào)器之前的ADXL250相似。固定的外板由異相180度的方波驅(qū)動。當(dāng)可移動手指（以及光束）位于固定外板之間時，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而位移，則差分電容將不平衡，并且會產(chǎn)生與光束位移成比例的振幅交流電壓。

圖4.ADXL202電路架構(gòu)

該交流電壓被放大，然后由同步解調(diào)器解調(diào)。解調(diào)器的輸出通過一個 32kW 電阻驅(qū)動占空比調(diào)制器。這里，每個通道上都有一個引腳，允許用戶通過添加兩個外部電容（每個通道一個）來設(shè)置帶寬，從而創(chuàng)建一個簡單的一階RC低通濾波器。低通濾波信號通過占空比調(diào)制器轉(zhuǎn)換為PWM信號。PWM 輸出的周期可在 0.5 至 10ms 范圍內(nèi)設(shè)置，使用單個電阻器。

性能和應(yīng)用

就像25年前不可能預(yù)測低成本激光器會出現(xiàn)在哪里一樣，今天很難想象使用低成本加速度計的大量應(yīng)用。ADXL202打破了性能與成本之間的許多障礙，因此其大多數(shù)真正成功的應(yīng)用都不是傳統(tǒng)的“加速度計”（字面意思是“加速度測量”）應(yīng)用。它們現(xiàn)在被用于汽車警報器、機(jī)器健康監(jiān)測、操縱桿、游戲手柄和其他計算機(jī)輸入設(shè)備。

如簡介中所述，ADXL202是當(dāng)今生產(chǎn)中噪聲最低的雙軸表面微加工加速度計。憑借其 500 mg/?Hz 的典型噪聲密度，可以在高達(dá) 1 Hz 的帶寬下分辨出優(yōu)于 50° 傾斜±傾斜度。高分辨率（約14位）占空比調(diào)制器允許用戶在低成本系統(tǒng)中利用ADXL202的功能。這些功能為其他幾種非傳統(tǒng)應(yīng)用打開了大門，例如汽車警報器（它們用于感應(yīng)頂升或牽引）和自動機(jī)器調(diào)平。

支持工具

廣泛的支持工具可供設(shè)計人員使用。可用的硬件工具包括一個簡單的評估PCB，其最小電路配置為ADXL202（部件號ADXL202EB）和ADXL202EB-232，這是一個完整的2軸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可連接到PC。ADXL202EB-232主要面向需要充分了解加速度測量如何支持其應(yīng)用或產(chǎn)品的設(shè)計人員，包括用于查看加速度計信號和數(shù)據(jù)記錄的軟件。

ADXL202交互式設(shè)計器是一個基于Excel的電子表格模型，可引導(dǎo)用戶完成選擇ADXL202元件和定義微控制器接口軟件參數(shù)的設(shè)計過程。電子表格輸出元件值以及有關(guān)設(shè)計的分辨率、帶寬和采集速率的信息?？稍谙旅媪谐龅木W(wǎng)站上免費獲得。

該站點還提供多種硬件和軟件參考設(shè)計，重點介紹不同的接口技術(shù)和各種應(yīng)用筆記。每個參考設(shè)計都包括各種常用微控制器的流程圖和源代碼，以及每種數(shù)據(jù)采集方法的適用位置說明。

審核編輯：郭婷