單軸和雙軸微機(jī)械加速度計的特點及安裝注意事項

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。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，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。兩個傳感器沿著可移動中心構(gòu)件的每一側(cè)具有多個指狀物;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?？煽俊Ｗ鳛?a target="_blank">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）。由于每個錨點都會增加寄生電容，因此較少數(shù)量的錨點會降低容性負(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;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，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。該電壓取決于每個器件的特定電氣和機(jī)械特性。

自測電路獨立于正常的加速度計信號路徑工作。當(dāng)自檢被激活時，它產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)由裝置測量，其方式與通過加速整個裝置產(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，激勵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2極增益3貝塞爾低通濾波器[ADXL250見下面包括每個通道的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，輸出到封裝引腳。它為加速度計提供了方便的偏移調(diào)整點，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，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，器件在電源電壓的一半處提供方便的參考點。可以使用外部運算放大器（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極點?？梢酝ㄟ^注入外部放大器求和節(jié)點的電流來調(diào)整偏移。

ADXL250增加了一個新的尺寸：ADXL250，一個單芯片（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)，因此可以在同一個芯片上制造雙傳感器，其中一個傳感器與另一個芯片旋轉(zhuǎn)90度。 ADXL250是世界上第一款商用雙軸單片加速度計。

兩個通道共享時鐘發(fā)生器，解調(diào)器時序，自測邏輯和偏置電壓。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)生的信號完全獨立處理。

單個自檢引腳同時激活兩個傳感器，簡化了與微處理器的接口。與ADXL150一樣，測試信號使每個傳感器偏轉(zhuǎn)相當(dāng)于10- g 加速度的量。每個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5 V電源（干凈的輸出，通過質(zhì)量不錯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?？梢酝ㄟ^施加模擬直流電壓（包括電源電壓或地）來調(diào)整偏移。計算機(jī)控制可以以各種方式實現(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)隊開發(fā)，Wilmington ，MA 。

安裝和機(jī)械注意事項

當(dāng)加速度計安裝在PC板上時，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。電路板的運動產(chǎn)生一個假加速度信號，加速度計可以感知到該信號。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固，從而更加忠實地將系統(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，因此加速度計的敏感軸（兩個軸，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?？梢允褂弥苯前惭b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。