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

表面微加工首次通過ADXL50實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，允許將加速度傳感器與所有信號(hào)調(diào)理電子器件集成在一起——傳感器及其信號(hào)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(jì)工作的主要驅(qū)動(dòng)因素。集成兩個(gè)軸可顯著降低每個(gè)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(jì)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(jì)產(chǎn)品一樣，傳感器元件是一個(gè)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(jì)，因此對(duì)光束設(shè)計(jì)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(gè)手指的差分電容與固定外板與移動(dòng)手指之間的重疊面積以及移動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)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?cè)诟咧袑W(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(gè)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(fèi)的。光束的諧振頻率與彈簧常數(shù)成正比，加速度計(jì)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(jiān)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?yàn)樵黾淤|(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(gè)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(gè)軸加速時(shí)，抑制了正交方向上的任何運(yùn)動(dòng)或輸出趨勢(shì)）。

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(dòng)。當(dāng)可移動(dòng)手指（以及光束）位于固定外板之間時(shí)，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(huì)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(gè) 32kW 電阻驅(qū)動(dòng)占空比調(diào)制器。這里，每個(gè)通道上都有一個(gè)引腳，允許用戶通過添加兩個(gè)外部電容（每個(gè)通道一個(gè)）來設(shè)置帶寬，從而創(chuàng)建一個(gè)簡單的一階RC低通濾波器。低通濾波信號(hào)通過占空比調(diào)制器轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)。PWM 輸出的周期可在 0.5 至 10ms 范圍內(nèi)設(shè)置，使用單個(gè)電阻器。

性能和應(yīng)用

就像25年前不可能預(yù)測(cè)低成本激光器會(huì)出現(xiàn)在哪里一樣，今天很難想象使用低成本加速度計(jì)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(jì)”（字面意思是“加速度測(cè)量”）應(yīng)用。它們現(xiàn)在被用于汽車警報(bào)器、機(jī)器健康監(jiān)測(cè)、操縱桿、游戲手柄和其他計(jì)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(jì)。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(bào)器（它們用于感應(yīng)頂升或牽引）和自動(dòng)機(jī)器調(diào)平。

支持工具

廣泛的支持工具可供設(shè)計(jì)人員使用。可用的硬件工具包括一個(gè)簡單的評(píng)估PCB，其最小電路配置為ADXL202（部件號(hào)ADXL202EB）和ADXL202EB-232，這是一個(gè)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(cè)量如何支持其應(yīng)用或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員，包括用于查看加速度計(jì)信號(hào)和數(shù)據(jù)記錄的軟件。

ADXL202交互式設(shè)計(jì)器是一個(gè)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(jì)過程。電子表格輸出元件值以及有關(guān)設(shè)計(jì)的分辨率、帶寬和采集速率的信息。可在下面列出的網(wǎng)站上免費(fèi)獲得。

該站點(diǎn)還提供多種硬件和軟件參考設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹不同的接口技術(shù)和各種應(yīng)用筆記。每個(gè)參考設(shè)計(jì)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