为什么说ADI在工业领域有优势(1) 

为什么说ADI在工业领域有优势(2) 

为什么说ADI在工业领域有优势(3) - ADI的MEMS产品线 

 

随着MEMS（微机电系统）传感器突破汽车领域，成功进入消费类市场，这不仅拯救了众多芯片公司的MEMS产品线，也不断改变着封装厂的排名。作为系统级封装解决方案，MEMS完全不同于主要利用硅的电特性的半导体芯片。它的核心部件没有栅-漏-源三极，而是一个完全由硅制成的微型机械结构。一个典型的MEMS结构包括质量矩滑块、弹簧和阻尼器，工作原理与质量弹簧模型基本相同。

 

 

上一部分在ADI的MEMS产品线中提到ADXL50/ADXL05加速度传感器是市场上最成功的加速度计之一，虽然这两颗芯片目前已经停产，不过作为原理解析我们还是可以看一下它们的设计成功之处。

 

常见的加速度计技术包括压阻式(Piezoresistive)、电容式(Capacitive)、压电式(Piezoelectric)及热对流式(Thermal)。目前市场上商业化的加速度计主要是采用压阻式、电容式与热对流式，日系厂商主要采用压阻式技术，ADI、ST等欧美厂商则采用电容式技术，对流式的代表厂商则为MEMSIC（MEMESIC公司算是ADI公司的大弟子，创始人赵阳也是个超级牛人，后文八卦）。

 

ADXL50/ADXL05采用差动电容作为敏感元件，用闭环反馈力平衡技术和完整的信号调理电路构成闭环随动式加速度计。满量程分别是±50g和±5g，其输出的电压与所感受的加速度成正比，可以测量正负加速度。

 

 

    

 

左图是加速度传感器静止状态的简化示意图，敏感元件是差动电容CS1和CS2。它由两片固定的外侧极板和可移动的中间极板构成，中间极板受加速的作用而左右移动。静止时(无加速度作用时)CS1=CS2。当感受到加速度时，则右图所示。其受感部件(受感质量)偏离中心位置向右移动，结果使CS1＜CS2。

 

 

上图为测量电路和信号调理电路。它由1MHz方波振荡器，差动电容分压电路，跟随器，同步解调器，前置放大器，内部参考源，缓冲放大器(即输出放大器)和自检电路等组成。

 

敏感元件差动电容CS1和CS2串接起来，其外侧的两个极板分别加上1MHz的方波电压，它们的幅度相等但相位相差180°，于是CS1和CS2形成电容分压电路，可移动的中间极板作为中间抽头，输出的电压接到跟随器的输入端。当加速度为零时，输出平衡，直流电平为+1.8V。在加速度作用之下，引起中间极板向左或向右偏移，其输出的幅值随加速度增加而增大，而相位则决取于加速度的方向。此输出电压经跟随器和同步解调器后，变成模拟电压再送到前置放大器的输入端。前置放大器是一个仪器放大器，以+1.8V为参考电压，其输出VPR。

 

在加速度为零时，等于+1.8V。在加速度的作用之下，VPR偏离+1.8V，此电压一方面通过3MΩ隔离电阻反馈到跟随器的输入端，另一方面它将产生一个静电力驱使中间极板(受感横梁)移向中间平衡位置。由于采用闭环反馈的力平衡技术，此静电力与加速度作力相互抵消达到平衡，使敏感元件差动电容的中间极板回到其中间平衡位置。对于ADXL50，当加速度为+50g时，VPR =1.8V+1.0V=2.8V；加速度为-50g时，VPR=+1.8V-1.0V=+0.8V，传感器的灵敏度为20mV/g。由于这是一个闭环反馈随动传感器系统，其回路的带宽与反馈施加到敏感元件的时间快慢有关，故带宽可由外接解调电容C1的大小来决定。此回路能足够快地响应加速度的变化。最高可达1kHz。ADXL50在0～1kHz的频带内能够维持平坦的响应，可以保持敏感元件实际上不运动。这种闭环反馈随动传感器消除了开环传感器中受感横梁的弹簧支持机构的非线性和老化影响的问题。

 

为了改变量程和输出电压的灵活性，前置放大器之后，还配置了输出出大器(即缓冲放大器)，可以设定外接电阻R1，R2和R3的阻值，以改变加速度计的刻度系数(即量程或灵敏度)或将输出电压的摆动范围扩展到+0.25～4.75V，也可以移动偏置(零点或0g)的电平。为了提高加速度计的性能，还提供了精密的内部参考源和自检电路。

 

ADXL50/ADXL05加速度计中采用了先进的多晶硅表面微加工技术，BiMOS电路和激光微调薄膜电路等工艺，使用了温度稳定性较好的差动电容器作敏感元件，闭环反馈随动传感器技术和周全的信号调理电路。因而使ADXL系列加速度计成为一种完整的标定了的内附参考并具有良好温度稳定性的加速度计。无需外加任何有源器件即可接到模数转换器(ADC)的输入端。