Leistungsstarke lineare Beschleunigungs­sensoren der CAS290-Serie (zweiachsig, orthogonal)

Wählen Sie den kleinsten Messbereich, der die im Normalbetrieb auftretenden Beschleunigungen, erwartete transiente Belastungen und eine angemessene Auslegungsreserve abdeckt. Varianten mit kleinerem Messbereich bieten eine höhere Ausgangsempfindlichkeit und niedrigere Ansprechschwellen. Der CAS291 deckt ±0,85 g ab und bietet 33.500 lsb/g, 1.150 mV/g, eine Ansprechschwelle von 0,03 mg sowie eine Rauschdichte von höchstens 50 µg/√Hz. CAS292 und CAS293 erweitern den Messbereich auf ±2,5 g bzw. ±10 g und behalten dabei eine Ansprechschwelle von 0,10 mg bei. CAS294 und CAS295 decken ±30 g bzw. ±96 g ab, ihre Ansprechschwellen steigen jedoch auf 0,30 mg bzw. 1,0 mg. Modellieren Sie vor der Wahl des Messbereichs die ungünstigsten Stoß- und Vibrationsbelastungen, statt die Entscheidung allein auf die Nennbeschleunigung zu stützen.

Verwenden Sie den Analogausgang, wenn das übergeordnete System bereits über eine geeignete hochauflösende A/D-Wandlung verfügt oder die Sensorbandbreite von über 250 Hz benötigt. Der Skalenfaktor ist ratiometrisch und reicht von 1.150 mV/g beim CAS291 bis 10 mV/g beim CAS295. Deshalb müssen Sie den ADC-Messbereich, die Stabilität der Referenzspannung und das Eingangsrauschen gemeinsam betrachten. Die digitale Schnittstelle bietet eine Bandbreite von über 170 Hz, direkte Skalenfaktoren von 33.500 bis 300 lsb/g sowie Zugriff auf Temperaturdaten und den Status des integrierten Selbsttests. Zudem entfällt ein externer ADC, der ausschließlich für die Beschleunigungskanäle benötigt würde. Die Wahl hängt somit von der Bandbreite, der Wandlungsgenauigkeit, der Verarbeitungsarchitektur und den Diagnosedaten ab, die das übergeordnete System benötigt.

Für den funktionalen Betrieb ist eine Versorgungsspannung von 2,7 V bis 3,6 V erforderlich. Müssen die angegebenen Leistungsgrenzwerte eingehalten werden, muss Vdd jedoch zwischen 3,15 V und 3,45 V liegen. Der Nennbetriebspunkt liegt bei 3,3 V; die typische Stromaufnahme beträgt über den gesamten Bereich 3 mA. Berücksichtigen Sie nach dem Einschalten eine Anlaufzeit von bis zu 20 ms und nach einer Messbereichsüberschreitung oder einem Stoß eine Erholzeit von bis zu 10 ms, bevor Sie Messdaten als gültig übernehmen. Halten Sie bei der Schnittstellenauslegung die vorgegebene lokale Entkopplungsanordnung ein und sorgen Sie während des Anlaufs für eine niedrige Versorgungsimpedanz. So kann das übergeordnete System eindeutig feststellen, wann die Versorgung stabil ist und ab wann gültige Daten vorliegen. Zugleich wird verhindert, dass vorübergehende Ausgangssignale als gültige Beschleunigungswerte interpretiert werden.

Im orthogonalen Gehäuse sind die beiden MEMS-Messachsen anders ausgerichtet als bei einem flach montierten Zweiachs-Beschleunigungs­sensor. Wird der seitlich montierte CAS290 mit einer Sensoranordnung kombiniert, die in der Leiterplattenebene misst, lassen sich auf einer einzigen bestückten Leiterplatte drei Freiheitsgrade erfassen. Eine separate, senkrecht angeordnete Leiterplatte ist dafür nicht erforderlich. Das Gehäuse misst 10,4 × 6,7 × 2,7 mm und wiegt typischerweise 0,6 g. Eine präzise mechanische Positionierung und die kontrollierte Verwendung von Lötvorrichtungen bleiben daher wichtig. Bei Verwendung geeigneter Vorrichtungen beträgt die typische Gehäusefehlstellung ±25 mrad, die interne Orthogonalitätsabweichung der Achsen liegt bei 1,7 mrad. Die Systemkalibrierung sollte dennoch die Achsenmatrix im eingebauten Zustand bestimmen, statt von einer perfekten geometrischen Ausrichtung auszugehen.

Die CAS290-Serie arbeitet bei −40 °C bis +125 °C und kann bei −55 °C bis +150 °C gelagert werden. Die relative Luftfeuchtigkeit darf unter nicht kondensierenden Bedingungen höchstens 90 % betragen. Die Stoßfestigkeit im Betrieb beträgt 1.000 g bei einem Halbsinusimpuls von 1 ms. Im ausgeschalteten Zustand liegt sie bei 6.500 g für CAS291 bis CAS293 und bei 10.000 g für CAS294 und CAS295, jeweils bei einem Halbsinusimpuls von 0,1 ms. Dabei handelt es sich um Grenzbedingungen, nicht um empfohlene Dauerbetriebsbedingungen. Eine längere Belastung nahe den absoluten Grenzwerten kann die Leistung oder Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Die Geräteauslegung sollte daher eine Befestigung, ein Gehäuse und Maßnahmen zur Vibrationsbegrenzung vorsehen, die auf die tatsächlichen mechanischen Umgebungsbedingungen abgestimmt sind.

Betrachten Sie den anfänglichen Nullpunktversatz getrennt von Wiederholgenauigkeit, thermischer Drift, Langzeitstabilität und vibrationsbedingtem Nullpunktversatz. Die Nullpunktabweichung zwischen aufeinanderfolgenden Betriebszyklen reicht von ±0,35 mg beim CAS291 bis ±8,0 mg beim CAS295. Die Nullpunktstabilität über ein Jahr liegt zwischen ±7,5 mg und ±75 mg. Über den Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C beträgt die Nullpunktabweichung ±50 mg für CAS291–CAS293, ±150 mg für CAS294 und ±500 mg für CAS295. Die Analogausgänge liegen nominal bei etwa Vdd/2 und können einen festen bauteilspezifischen Offset aufweisen. Der digitale Kanal hat einen eigenen Fehler bei der Nullpunkteinstellung. Beide Fehler lassen sich durch eine Systemkalibrierung reduzieren. Das verbleibende Fehlermodell sollte die temperaturbedingte Änderung des Skalenfaktors von ±1,2 % sowie den angegebenen Vibrationsgleichrichtungsfehler für den gewählten Messbereich berücksichtigen.

Die digitale Schnittstelle arbeitet als Vierdraht-SPI-Slave im Modus 0. Jede Transaktion umfasst sechs Byte bzw. 48 Bit. Die nominale Nachrichtenrate beträgt 1 kHz, die nominale Taktfrequenz 1 MHz. Unterstützt werden Nachrichtenraten von 1 Hz bis 10 kHz und Taktfrequenzen von 100 kHz bis 8 MHz. Wenn Aliasing relevant ist, empfiehlt sich eine Abtastrate über 500 Hz. Dennoch muss die Anwendung eine auf ihre Messbandbreite abgestimmte Filterung vorsehen. Über separate Abfragen lassen sich entweder X/Y-Beschleunigungsdaten oder Status- und Temperaturdaten abrufen. Das Befehlsformat ermöglicht außerdem, den integrierten Selbsttest per Befehl auszulösen. Data_Out ist hochohmig, wenn Slave-Select auf High liegt. Dies ermöglicht die Nutzung eines gemeinsamen Busses, sofern das Chip-Select-Timing und die Prüfsummenverarbeitung korrekt implementiert sind.

Da die CAS290-Serie auf kapazitiver MEMS-Sensorik basiert, können Leiterbahnen unter dem Gehäuse einen Nullpunktversatz der Beschleunigungsmessung verursachen. Signal- und Versorgungsleitungen sollten daher nach Möglichkeit außerhalb der Gehäusegrundfläche verlaufen. Das gilt auch für Verbindungen zu gemeinsamen Sternpunkten der Spannungsversorgung. Lassen sich Leiterbahnen unter dem Bauteil nicht vermeiden, sollte der Nullpunktversatz im eingebauten Zustand gemessen und durch eine übergeordnete Kompensation auf Systemebene ausgeglichen werden. Die mittleren und seitlichen Befestigungskontakte dienen der mechanischen Verbindung und sollten auf elektrisch isolierte Lötpads gelötet werden. Präzise Positioniervorrichtungen, Prüfungen der Achsausrichtung und eine Kalibrierung anhand der Erdbeschleunigung können Fehler durch eine Fehlausrichtung des Gehäuses und durch Montagetoleranzen reduzieren.