ADXL150和ADXL250代表了Devices公司最新一代的表面微机械单片加速度计。与具有里程碑意义的ADXL50(对话27- 2,1993)一样，新设备包括信号调理电路和传感器，它们一起制造在单个单片芯片上，以非常低的成本提供高可靠性的加速度测量。与ADXL50一样，传感器结构是差分电容，但它进行了修改，以利用从生产数百万ADXL50中获得的经验，进一步推进微机械传感器设计的艺术状态。

传感器:图1中的轮廓比较了ADXL50和ADXL150中使用的传感器。两个传感器沿可移动中心部件的每一侧都有许多手指;它们构成一组并联差分电容器的中心极板。连接到基板上的固定指对与束指相互交织以形成外部电容器板。梁由绳索支撑，绳索起到机械弹簧的作用。通过支撑梁的导电系绳锚读取移动板上的电压。

多晶硅支撑弹簧(系绳)非常可靠。许多装置已经通过用等效的>250倍的重力，对于>7x10(10)个周期，零失败，作为产品确认过程的一部分。

ADXL50的系索直接从梁上伸出，呈“H”形。然而，在ADXL150上，系绳是折叠的，减小了传感器的尺寸，锚点的数量减少了一半(图2)。由于每个锚点增加了寄生电容，锚点的数量减少了电容负载，提高了传感器的加速度灵敏度。此外，绳的几何形状最大限度地减少了对机械模应力的敏感性;这使得ADXL150可以封装在标准的cerdip和表面贴装cerpak封装中，这比金属罐需要更高的密封温度(以及相关的热应力)。折叠绳首先用于ADXL05低g加速度计;其较高的灵敏度使模具应力更受关注。

除了从光束两侧伸出的感应指外，ADXL150还有12个力指(在光束两端可见)，用于自测驱动。平行板电容器的极板以静电力相互吸引:

其中ε是板间材料的介电常数，A是板的面积，V是穿过电容器的电压，d是板间的距离。

在正常工作时，力指两侧的固定指与梁及其指处于相同的电压电位。由于梁上的受力指与基板上的固定指之间没有电压，因此不存在静电力。然而，当数字自检输入引脚被激活时，力部分一侧的固定手指被驱动到非零直流电压，对感测手指施加力，使光束偏转。强制电压通过激光调整，在光束上产生相当于10g加速度的净静电力。这个电压将取决于每个单独装置的特定电气和机械特性。

自检电路独立于正常的加速度计信号路径工作。当自检被激活时，它产生的挠度由装置以与加速整个装置产生的挠度相同的方式测量。由于传感器的全尺寸挠度仅为电容指间距的1.5%左右，自检响应几乎是恒定的，增加了由任何现有加速度引起的挠度。像外部施加的加速度一样，自检电路产生的偏转充分利用了正常工作的加速度计的测量电路来产生输出，因此它是设备正常工作能力的高度可靠的指标。

电路架构:如图3所示，固定指由反相方波驱动。与ADXL50不同，ADXL50使用激励和光束之间的直流偏置作为提供力平衡反馈路径的手段，ADXL150采用开环架构。当束流上的平均直流电压为零时，激励方波可以摆动到电源轨上，而束流偏置在电源电压的一半处。ADXL150中100khz激励的较大振幅导致对电子设备噪声的灵敏度降低，这是其噪声性能改善的一个因素。

如果光束完全居中，则差分电容的两侧电容相等，并且光束上的交流电压为零。但是，如果由于施加加速度(或自测偏转)，光束偏离中心，则差分电容器变得不平衡。光束波形是一个方波，其振幅与位移量成正比，因此，加速度大小。光束电压相对于激励的相位决定了加速度的极性。

波束输出直接连接到非反相放大器，该放大器为高阻抗波束节点提供缓冲，并为100 khz输出信号提供增益。

输出在同步解调器中解调，该同步解调器在放大器输出在激励周期的每一半中稳定后对其进行采样。通过检测两种状态下放大器输出电平之间的差异，放大器的失调电压被消除，很像斩波稳定放大器。由于解调器与激励相同步，输出信号的极性正确地指示了施加加速度的方向。

ADXL150板上有一个2极3倍增益的贝塞尔低通滤波器[adxl250(见下文)包括每个通道的2极滤波器]。这些滤波器可用于防止解调输出中的高频元件与相关数据采集电路中的A/D转换器时钟频率混叠。滤波器的第二个输入连接到一个增益为1/6的电阻分压器，带出到封装引脚。它为加速度计提供了一个方便的偏移调整点，外加电压的净增益为+0.5。

由于广泛使用CMOS逻辑，并且开环架构允许更简单的信号调理电路，因此该器件在5V时仅消耗1.8 mA的电源电流(包括2极输出滤波器)，比ADXL50减少了80%。

使用的增加的激励水平，以及仔细执行斩波调制/解调技术，产生的噪声密度仅为1mg/√赫兹，小于ADXL50的1/6。改进的动态范围使ADXL150能够用于机器健康、振动监测、冲击传感和仪器仪表等应用。

ADXL150的灵敏度为38mV/g，在输出引脚处测量。满量程范围为±50 g，总信号摆幅为3.8 V，单个5 V电源。这种显著的输出电压范围允许设计者充分利用单电源a /D转换器的输入范围，例如可能在微处理器系统中发现。

输出电压由关系式给出:

α为施加的加速度，单位为gs (1 g≈9.8 m/s(2))， V(s)为电源和参考电压，标称为5v。如果V(S)也用作比率a /D转换器的参考，系统将拒绝V(S)的变化。在零施加加速度的情况下，ADXL150的输出为V(S) /2，这是A/D转换器的一半刻度。即使V(S)不是5v, A/D转换器的数字输出代码仍然读取半刻度。对于任何施加的加速度，A/D转换器的输出基本上与V(S)的变化无关。

无需外部操纵滤波器的偏置，该装置在电源电压的一半处提供方便的参考点。可以使用外部运算放大器(图4)，以获得相对于该电压的额外增益，以提高加速度计的灵敏度。在这个电路中可以使用一个额外的外部电容，在内部两极滤波器之后增加第三极。偏移量可以通过注入外部放大器求和节点的电流来调节。

ADXL250增加了一个新的维度:ADXL250是一个单片芯片(图5)，测量给定平面(例如，前后和左右)的加速度的x和y坐标。由于ADXL150传感器的敏感轴在芯片的平面上，因此可以在同一个模具上制造双传感器，其中一个与另一个旋转90度。ADXL250是世界上第一款商用双轴单片加速度计。

两个通道共享时钟发生器、解调器定时、自检逻辑和偏置电压。每个传感器通过自己的CMOS逆变驱动器接收时钟信号，传感器产生的信号完全独立处理。

单个自检引脚同时激活两个传感器，简化了与微处理器的接口。与ADXL150一样，测试信号会使每个传感器产生相当于10g加速度的偏转。每个通道都有自己的失调调整引脚和自己的输出电压引脚。两个通道具有相同的灵敏度。

双通道ADXL250的总供电电流通常为3.5 mA(最大5ma，包括输出滤波器，仅为早期ADXL50典型供电电流的一半)。这两种设备都有A和J版本，指定温度范围为-40至+85°C和0至+70°C。

我如何使用它们?ADXL150是一个完整的传感器芯片。只需连接单个5v电源(具有干净的输出，通过质量良好的陶瓷电容器旁路到地)并将输出连接到其读出目的地。

如果自检引脚处于开路状态，则内部的下拉电阻可确保正常工作。没有连接到偏置调整引脚，输出电压是不变的。

要调整输出零电压电平，请使用偏置调整引脚。偏置可以通过施加直流电压来调整，包括电源电压或地电压。计算机控制可以通过多种方式实现，例如，通过串行或并行D/ a转换器，或通过带有R-C平均器的调制占空比。一个三态数字输出位和一个串联电阻可以实现三个失调调整值的选择。

ADXL150和ADXL250是由位于马萨诸塞州威尔明顿的微机械产品部的多学科产品团队开发的。

安装和机械方面的考虑

当加速度计安装在PC板上时，集成电路就成为一个更大的机械系统的一部分。50g的加速度会使传感器在IC封装内发生偏转;此外，PC板及其安装结构会发生偏转和变形。电路板的运动产生一个假的加速度信号，加速度计可以检测到。如果支撑结构的谐振频率在信号带内或比滤波器滚降高不太多，则PC板及其安装系统的振动将在传感器输出中显示出来。

将这些影响最小化的最佳方法是使安装方案尽可能坚硬，从而更忠实地将系统加速度传递给传感器并增加谐振频率。由于PC板在其平面上比垂直于其表面的要硬得多，因此加速度计的敏感轴(两个轴，如果有两个轴)应该在板的平面上。由于ADXL150和ADXL250的敏感轴位于芯片的平面上，并且芯片的表面与封装的底座平行，因此当简单地焊接到电路板上时，加速度计可以获得PC板刚度的好处。

如果敏感轴垂直于芯片平面(就像一些大型微机械传感器的情况一样)，将封装焊接到电路板上将使测量结果最容易受到pc板灵活性的影响。直角安装系统可以使敏感轴与PC板平行，但安装系统本身会变形，产生虚假的加速度。安装系统，和任何PC板加强，增加成本的加速度测量。此外，安装系统的额外质量降低了其谐振频率，导致更大的虚假加速信号。