ADXL202雙軸表面微機械加速度計的結構特點與應用

ADXL202是ADI公司最新的低 g （±2 g ）雙軸表面微機械加速度計。 ADXL202是過去六年中制造數(shù)百萬 i MEMS ?加速度計的經驗，是世界上第一款結合低電壓的商用雙軸表面微加工加速度計所有在單個硅芯片上都具有最低功耗，最低噪聲和數(shù)字輸出的感應。

表面微機械加工首次與ADXL50商業(yè)化，可實現(xiàn)加速度傳感器的集成所有信號調理電子設備 - 傳感器的緊密集成及其信號調理使得這種令人印象深刻的性能成為可能。

降低成本是ADXL202設計工作的主要動力。集成兩個軸導致每軸顯著降低成本。此外，雖然ADXL50，ADXL150和ADXL250可被視為“加速至伏特”傳感器，但ADXL202還增加了脈沖寬度調制（PWM）數(shù)字輸出功能。由于大多數(shù)加速度計將與微控制器連接，因此PWM輸出不需要A / D轉換器，從而進一步降低了用戶的總系統(tǒng)成本。

傳感器結構

與我們所有的加速度計產品一樣，傳感器元件是差分電容器，其輸出與加速度成正比（基本傳感器信息可在 Analog Dialogue 27-2,1993和< em> Analog Dialogue 30-4,1996）。由于器件性能非常依賴于傳感器設計，因此對光束設計中的一些關鍵因素進行簡要說明是恰當?shù)摹?/p>

光束由許多交叉指狀物組成。每組手指都可以看到，如圖1所示。每個手指的微分電容與固定外板和移動手指之間的重疊區(qū)域以及移動手指的位移成比例。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。

電容器面積受工藝技術固定的2微米高度限制，而（125微米）重疊可在一定程度上調整。然而，由于若干原因，不希望更長的手指。更長的手指更難制造，光束尺寸的增加轉化為更昂貴的部件。

光束的運動受到保持光束的多晶硅彈簧的控制。這些彈簧和梁的質量遵循我們在高中時學到的相同的物理定律。根據(jù)牛頓第二定律，受加速度（ m ）的質量（ m ）上的力（ F ）是 F = m a ，約束彈簧的偏轉（ x ）（遵守胡克定律）與施加的力成比例， 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 ）和質量（ m ）。降低彈簧常數(shù)似乎是提高光束靈敏度的簡便方法。但像往常一樣，沒有任何東西是免費的。光束的共振頻率與彈簧常數(shù)成比例，加速度計必須在低于共振頻率的頻率下工作。此外，更高的彈簧常數(shù)使得更加堅固的梁（更高的沖擊耐受性）。因此，如果我們想保持彈簧恒定盡可能高，那么唯一要改變的參數(shù)就是質量。

添加質量通常意味著更大的傳感器面積，導致更昂貴的部件，因為唯一的方法是增加質量使梁更大。在ADXL202中，發(fā)明了一種新穎的光束結構，如圖2所示。與ADXL250中一樣，不是使用正交放置的兩個離散光束（ Analog Dialogue 30-4 ，1996，第5頁，圖5） ，構成X和Y軸可變電容器的指狀物沿單個方形光束的側面集成。這導致整個傳感器面積減小，但較大的共同光束質量增強了ADXL202的分辨率。位于梁的角落中的彈簧懸掛系統(tǒng)（如圖3所示）被設計成使橫軸靈敏度最小化（即，沿著一個軸的加速度，抑制了在正交方向上的運動或輸出的任何趨勢）。

電路架構

ADXL202的電路架構（如圖4所示）與ADXL250類似，直至解調器。固定的外板由180度異相的方波驅動。當可動指狀物（以及因此光束）在固定外板之間居中時，差動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而移位，則差分電容將不平衡，并且將產生與光束位移成比例的交流電壓。

該交流電壓被放大，然后由同步解調器解調。解調器的輸出通過一個32千瓦的電阻驅動占空比調制器。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。低通濾波信號由占空比調制器轉換為PWM信號。 PWM輸出的周期可以設置為0.5到10ms，使用單個電阻。

性能和應用

正如25年前不可能預測低成本的地方激光器會出現(xiàn)，今天很難想象將會使用低成本加速度計的大量應用。 ADXL202打破了許多性能與成本障礙，大多數(shù)真正成功的應用都不是典型的“加速度計”（字面意思是“加速度測量”）應用。它們現(xiàn)在用于汽車報警器，機器健康監(jiān)測，操縱桿，游戲手柄和其他計算機輸入設備。

如引言中所述，ADXL202是生產中噪聲最低的雙軸表面微機械加速度計今天。憑借500 mg /√Hz的典型噪聲密度，可以在高達50 Hz的帶寬下解決優(yōu)于±1°傾斜的傾斜度。高分辨率（約14位）占空比調制器允許用戶在低成本系統(tǒng)中利用ADXL202的功能。這些功能為其他幾個非傳統(tǒng)應用打開了大門，例如汽車報警器（用于檢測升降或牽引）和自動機器調平。

支持工具

為設計人員提供廣泛的支持工具?？捎玫?a target="_blank">硬件工具是一個簡單的評估PCB，其最小電路配置為ADXL202（部件號為ADXL202EB），ADXL202EB-232是一個完整的雙軸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可與PC連接。 ADXL202EB-232主要針對需要充分了解加速度測量如何支持其應用或產品的設計人員，包括用于查看加速度計信號和數(shù)據(jù)記錄的軟件。

ADXL202交互式設計器是基于Excel的電子表格該模型引導用戶完成選擇ADXL202組件和定義微控制器接口軟件參數(shù)的設計過程。電子表格輸出組件值以及有關設計的分辨率，帶寬和采集率的信息。它可以從下面列出的網站免費獲得。