Richi´s Lab

ADXL213 2-Achsen-Beschleunigungssensor

ADXL213

Der ADXL213 ist ein Zwei-Achsen-Beschleunigungssensor von Analog Devices. Er befindet sich in einem relativ kleinen 8-Pin-LCC-Package. Die Stromaufnahme liegt bei nur 700µA.
Das Datenblatt gibt eine Auflösung von 1mg bei 60Hz an, während eine maximal zulässige Beschleunigung von 3500g zulässig ist.

 

ADXL213 Bockschaltbild

Der ADXL213 ist ein direkt messender Sensor, der die auf ihn einwirkende Beschleunigung über die Auslenkung einer Masse bestimmt. Bei einer indirekten Messung wird dagegen die Kraft bestimmt, die notwendig ist eine Masse in einer Nulllage zu halten.
Der ADXL213 gibt die Beschleunigungswerte getrennt für die beiden Achsen als PWM-Signale aus (Xout und Yout). Zwei Kontakte ermöglichen es über Kondensatoren die Filterkonstanten für beide Achsen einzeln einzustellen (Xfilt und Yfilt). Mittels eines Widerstands am Kontakt T2 kann die Frequenz des PWM-Signals variiert werden.
Der Sensor bietet einen Selbsttest, der über den Kontakt ST ausgelöst werden kann. Dabei wird laut Datenblatt das integrierte, mikromechanische System durch einen elektrostatischen Impuls ausgelenkt.

Das im Datenblatt enthaltene Blockschaltbild zeigt hinter dem eigentlichen mikromechanischen Sensor zuerst einen sogenannten AC-AMP. Letztlich muss damit eine Kapazitätsänderung im mikromechanischen System bestimmt werden. Denkbar sind mehrere Arbeitsweisen. Man kann zum Beispiel den Verschiebungsstrom bestimmen, der sich einstellt, wenn die Kapazität eines geladenen Kondensators geändert wird. Alternativ kann die zu vermessende Kapazität als frequenzbestimmendes Bauteil in einen Schwingkreis integrieren werden. Meist wird bei solchen Anwendungen aber eine Wechselspannung in ein zentrales Element des mikromechanischen Systems eingespeist und das differentielle Signal an umgebenden Elementen abgegriffen. Führt man die Signale auf einen Knotenpunkt zusammen, so wird sich dort ein Ausgangssignal proportional zu den Unterschieden der Kapazitätswerte einstellen.
Es folgt ein Demodulator, der aus dem Ausgangssignal des AC-AMPs das Signal extrahiert, dass für die gemessene Kapazität steht. Je nachdem welche der obigen Messmethoden gewählt wurde, muss ein frequenz- oder ein amplitudenmoduliertes Signal demoduliert werden.
Mit dem OUTPUT AMP wird das generierte Signal verstärkt und auf ein RC-Glied gegeben, dessen Kondensatoren außerhalb des Packages angeschlossen werden müssen. Über die Kapazitäten lässt sich das Beschleunigungsrohsignal filtern.
Der Block DCM erzeugt dann letztlich aus den Beschleunigungswerten und dem Widerstand am Kontakt T2 das PWM-Ausgangssignal.

 

ADXL213 Die

ADXL213 Die

Das Innere des Gehäuses bietet grundsätzlich keine Überraschungen. Das Versorgungspotential +Vs ist über zwei Bonddrähte an das Die angebunden. Der untere Bonddraht wird auf dem Die zusätzlich sternförmig weiter verteilt. Es wurde anscheinend viel Wert auf eine störungsfreie Versorgungsspannung gelegt. Das Massepotential verteilt unter anderem der Rahmen des Dies.

 

ADXL213 Die

Mittig befindet sich das auffällige, mikromechanische Element.

An der unteren Kante sind überraschend viele Testpunkte mit teilweise sehr verständlichen Beschriftungen wie zum Beispiel "P+CAP" und "PMOS" platziert. An der rechten Kante befinden sich noch weitere Teststrukturen
In den Ecken bietet das Die zwei Testpads.

 

ADXL213 Die Detail

Die Strukturen der zwei Ausgangsendstufen lassen sich gut identifizieren. Die zwei Push-Pull-Endstufen bestehen aus jeweils zwei größeren Elementen, die an eine exklusive Versorgungsleitung angebunden sind.
Die kleineren Strukturen über den Bondpads steuern die Push-Pull-Endstufen aus. Ihnen werden zwei Signale von rechts und zwei Signale von oben zugeführt. Nachdem von rechts die Auswertung der Beschleunigungswerte eintrifft, könnte sich oberhalb ein Frequenzgenerator befinden, auf dessen Basissignal die Beschleunigungswerte in Form der PWM-Codierung aufgeprägt werden. Zu dieser Annahme würde passen, dass sich am oberen Ende des linken Blocks das Bondpad zur Einstellung der PWM-Grundfrequenz befindet.

Jeweils eine Leitung führt von den Ausgangsendstufen zu den rechts daneben liegenden Anschlüssen für die externen Filterkondensatoren. Oberhalb der Bondpads befindet sich eine Widerstandsstruktur, die anscheinend wie auch viele andere Elemente auf dem Die mit einem Laser abgeglichen wurden. Jeder Widerstand besteht aus mehreren Elementen. Darin enthalten ist der 32kΩ-Widerstand, der auch im Blockschaltbild zu sehen ist und ein Rückkopplungsabgriff. Die Zuleitungen und die Rückkopplungen führen zu einem Block rechts der Filterkondensatoranschlüsse.

 

ADXL213 Die Detail

Die zwei gleichen Strukturen, die auf die Filtergruppe folgen, stellen vermutlich die im Blockschaltbild dargestellten Verstärker dar. Die Anzahl und die Größe der Bauteile würde dazu passen.

Das Signal erhalten die vermeintlichen Verstärker aus verhältnimäßig großen Elementen, die mit ziemlicher Sicherheit Kondensatoren darstellen und so höchstwahrscheinlich den Ausgang des Demodulators bilden.

An der rechten Kante des Dies befinden sich zwei Testpads. Das untere, hier zu sehende, Testpad ermöglicht es das Massepotential zu kontaktieren. Interessant ist dabei, dass die Verbindung zum Massepotential über zwei Widerstände realisiert ist, die anscheinend nach dem Abgleichprozess durchtrennt wurden. Wollte man damit ein nachträgliches Vermessen der Eigenschaften erschweren, so handelt es sich um eine eher weniger geeignete Sicherheitsmaßnahme. Eine andere Massefläche zu kontaktieren dürfte auf Grund der geringeren Größen schwieriger aber bei weitem nicht unmöglich sein. Eventuell handelt es sich bei der Unterbrechung auch um einen Teil des Abgleichvorgangs. Es könnte sein, dass die Testpunkte für einen Abgleich benötigt werden, für einen anderen, empfindlicheren Abgleich aber wieder physikalisch auf dem Die aufgetrennt werden müssen. Da ein Laserprozess sowieso eingerichtet war, bietet es sich an nicht die Kontaktierung des Dies zu variieren sondern schlicht die Verbindung mit dem Laser aufzutrennen.

In der oberen rechten Ecke befinden sich weitere abgeglichene Widerstände.
Die größeren Strukturen in der linken oberen Ecke lassen sich nicht zuordnen. Die Größe und die Anbindung an das mikromechanische System lassen Spekulationen zu, dass es sich um den anregenden Taktgenerator handelt.

 

ADXL213 Die Detail

In der rechten oberen Ecke befinden sich vier große, laserabgeglichene Widerstände mit einer exklusiven Versorgung. Die vier Transistorgruppen links der Widerstände verbinden sie unter anderem mit zwei differentiellen Leitungen des mikromechanischen Systems. Mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit handelt es sich hier um die Auswertung der Kapazitäten des mikromechansischen Systems und damit der aktuellen Beschleunigungswerte. Die differentielle Anbindung liefert die auszuwertenden Signale zu den vier Verstärkern. Da das mikromechanische System produktionsbedingten Schwankungen unterliegt, muss höchstwahrscheinlich nach der Fertigung der Beschleunigungswert auf Null abgeglichen werden.

Es ist schön zu sehen, dass die Widerstände sowohl grob als auch fein abgegelichen werden können. Für einen Grobabgleich durchtrennt man die Querverbindungen der leiterförmigen Strukturen. Die Widerstandserhöhung fällt relativ hoch aus, da der Strom einen zusätzlichen dünnen Widerstand durchfließen muss. Für einen Feinabgleich, der im vorliegenden Fall anscheinend ausreichend war, durchtrennt man nur einen Teil des flächigen Widerstandelements. Die Widerstandserhöhung fällt dann moderater aus.

In einem Bereich an der oberen Kante des Dies wurde mit dem Laser eine Zahlenfolge eingebrannt. Entweder handelt es sich um Abgleichwerte oder um eine Markierung zur Rückverfolgbarkeit des Abgleichvorgangs.

Den Hintergrund der drei Zeilen, die an Gatearray-Zeilen erinnern, lässt sich nicht erschließen. Es könnte sich um einen Teil der Signalauswertung, wie zum Beispiel eine automatische Anspassung der Verstärkung, handeln.

Das hier zu sehende Testpad ist über mehrere kleine Transistoren an der linken Seite mit dem mikromechanischen Element verbunden. Nachdem auf dem Die viele Widerstände abgeglichen werden, kann man nicht sicher sagen welche Eigenschaften des Gesamtsystems hier vermessen werden konnten.

Das Testsignal, das am linken der oberen beiden Bondpads eintrifft, ist an eine Pull-Up-Struktur angebunden. Eine zweite Pull-Up-Struktur und ein Transistor erzeugen daraus ein differentielles Signal, das in der Steuerungslogik verschwindet.

 

ADXL213 Die Detail

Wie bereits beschrieben, handelt es sich bei den Elementen an der linken Kante des Dies vermutlich um eine oder mehrere Takterzeugungseinheiten. Am oberen Bondpad ist dazu passend der Widerstand anzuschließen, der die Taktfrequenz definiert.

 

ADXL213 Die Detail Beschleunigungssensor

ADXL213 Die Detail Beschleunigungssensor

Die Funktion des mikromechanischen Elements erschließt sich nicht auf den ersten Blick.
Die dunklen Punkte und Streifen in der Mitte und um den Rand der achteckigen Struktur könnten zumindest zum Teil Befestigungspunkte darstellen. Die vier Quadrate agieren als Federelemente, die sich über die diagonalen Elemente an mittigen Befestigungspunkten abstützen. Auf der anderen Seite sind die Federelemente an der großen, achteckigen Struktur angebunden, die vermutlich die träge, horizontal und vertikal bewegliche Masse darstellt. Die vertikal und horizontal angeordneten Elemente bestehen aus den zu erwartenden, länglichen, ineinandergreifenden Streifen, die letztlich eine Bewegung in eine Kapazitätsänderung umwandeln. Die Nähe der einzelnen Elemente zeigt wie klein die Auslenkung sein muss. An den Kanten sind Streifen zu erahnen, die eventuell die Bewegung des achteckigen Elements begrenzen.

Die bisherige Analyse hat gezeigt, dass wahrscheinlich von oben und von rechts jeweils zwei Signal abgegriffen werden, um daraus die Auslenkung und damit die Beschleunigung auswerten zu können. Es existieren noch weitere Abgriffe. Es ist zu vermuten, dass es sich dabei zumindest zum Teil um Bezugspotentiale handelt. Je nach Auswertesystem ist es wahrscheinlich nicht ein einfaches Bezugspotential, sondern ein hochfrequentes Signal, das sich je nach Auslenkung des Systems entsprechend unterschiedlich stark auf die differentiellen Leitungen überträgt.

Mittig ist ansatzweise zu erkennen, dass die linken mit den rechten Sensoren und die oberen mit den unteren Sensoren miteinander verbunden sind. Als Überbrückungsjumper dienten Elemente die dem mikromechanischen System ähneln.

 

 

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