ADXL202双轴表面微机械加速度计的结构特点与应用

ADXL202是ADI公司最新的低 g （±2 g ）双轴表面微机械加速度计。 ADXL202是过去六年中制造数百万 i MEMS ®加速度计的经验，是世界上第一款结合低电压的商用双轴表面微加工加速度计所有在单个硅芯片上都具有最低功耗，最低噪声和数字输出的感应。

表面微机械加工首次与ADXL50商业化，可实现加速度传感器的集成所有信号调理电子设备 - 传感器的紧密集成及其信号调理使得这种令人印象深刻的性能成为可能。

降低成本是ADXL202设计工作的主要动力。集成两个轴导致每轴显着降低成本。此外，虽然ADXL50，ADXL150和ADXL250可被视为“加速至伏特”传感器，但ADXL202还增加了脉冲宽度调制（PWM）数字输出功能。由于大多数加速度计将与微控制器连接，因此PWM输出不需要A / D转换器，从而进一步降低了用户的总系统成本。

传感器结构

与我们所有的加速度计产品一样，传感器元件是差分电容器，其输出与加速度成正比（基本传感器信息可在 Analog Dialogue 27-2,1993和< em> Analog Dialogue 30-4,1996）。由于器件性能非常依赖于传感器设计，因此对光束设计中的一些关键因素进行简要说明是恰当的。

光束由许多交叉指状物组成。每组手指都可以看到，如图1所示。每个手指的微分电容与固定外板和移动手指之间的重叠区域以及移动手指的位移成比例。显然，这些是非常小的电容器，为了降低噪声和提高分辨率，我们需要尽可能大的差分电容。

电容器面积受工艺技术固定的2微米高度限制，而（125微米）重叠可在一定程度上调整。然而，由于若干原因，不希望更长的手指。更长的手指更难制造，光束尺寸的增加转化为更昂贵的部件。

光束的运动受到保持光束的多晶硅弹簧的控制。这些弹簧和梁的质量遵循我们在高中时学到的相同的物理定律。根据牛顿第二定律，受加速度（ m ）的质量（ m ）上的力（ F ）是 F = m a ，约束弹簧的偏转（ x ）（遵守胡克定律）与施加的力成比例， F = k x ，

和： x =（ m / k ） a

我们控制的唯一两个参数是弹簧刚度或弹簧常数（ k ）和质量（ m ）。降低弹簧常数似乎是提高光束灵敏度的简便方法。但像往常一样，没有任何东西是免费的。光束的共振频率与弹簧常数成比例，加速度计必须在低于共振频率的频率下工作。此外，更高的弹簧常数使得更加坚固的梁（更高的冲击耐受性）。因此，如果我们想保持弹簧恒定尽可能高，那么唯一要改变的参数就是质量。

添加质量通常意味着更大的传感器面积，导致更昂贵的部件，因为唯一的方法是增加质量使梁更大。在ADXL202中，发明了一种新颖的光束结构，如图2所示。与ADXL250中一样，不是使用正交放置的两个离散光束（ Analog Dialogue 30-4 ，1996，第5页，图5） ，构成X和Y轴可变电容器的指状物沿单个方形光束的侧面集成。这导致整个传感器面积减小，但较大的共同光束质量增强了ADXL202的分辨率。位于梁的角落中的弹簧悬挂系统（如图3所示）被设计成使横轴灵敏度最小化（即，沿着一个轴的加速度，抑制了在正交方向上的运动或输出的任何趋势）。

电路架构

ADXL202的电路架构（如图4所示）与ADXL250类似，直至解调器。固定的外板由180度异相的方波驱动。当可动指状物（以及因此光束）在固定外板之间居中时，差动电容器的两侧具有相等的电容，并且光束上的交流电压为零。但是，如果光束由于施加的加速度而移位，则差分电容将不平衡，并且将产生与光束位移成比例的交流电压。

该交流电压被放大，然后由同步解调器解调。解调器的输出通过一个32千瓦的电阻驱动占空比调制器。每个通道上都有一个引脚，允许用户通过添加两个外部电容（每个通道一个）来设置带宽，从而创建一个简单的一阶RC低通滤波器。低通滤波信号由占空比调制器转换为PWM信号。 PWM输出的周期可以设置为0.5到10ms，使用单个电阻。

性能和应用

正如25年前不可能预测低成本的地方激光器会出现，今天很难想象将会使用低成本加速度计的大量应用。 ADXL202打破了许多性能与成本障碍，大多数真正成功的应用都不是典型的“加速度计”（字面意思是“加速度测量”）应用。它们现在用于汽车报警器，机器健康监测，操纵杆，游戏手柄和其他计算机输入设备。

如引言中所述，ADXL202是生产中噪声最低的双轴表面微机械加速度计今天。凭借500 mg /√Hz的典型噪声密度，可以在高达50 Hz的带宽下解决优于±1°倾斜的倾斜度。高分辨率（约14位）占空比调制器允许用户在低成本系统中利用ADXL202的功能。这些功能为其他几个非传统应用打开了大门，例如汽车报警器（用于检测升降或牵引）和自动机器调平。

支持工具

为设计人员提供广泛的支持工具。可用的硬件工具是一个简单的评估PCB，其最小电路配置为ADXL202（部件号为ADXL202EB），ADXL202EB-232是一个完整的双轴数据采集系统，可与PC连接。 ADXL202EB-232主要针对需要充分了解加速度测量如何支持其应用或产品的设计人员，包括用于查看加速度计信号和数据记录的软件。

ADXL202交互式设计器是基于Excel的电子表格该模型引导用户完成选择ADXL202组件和定义微控制器接口软件参数的设计过程。电子表格输出组件值以及有关设计的分辨率，带宽和采集率的信息。它可以从下面列出的网站免费获得。