1、 SCA100T 双轴倾角双轴倾角传感器传感器系列系列 SCA100T 系列是基于 3D-MEMS 的高精度双轴倾角传感器芯片，它提供了水平测量仪表级别的性能。双轴高精度倾角传感器芯片的传感元件在测量时需要与测量平台保持平行，并且传感器双轴需相互垂直。弱的温度依赖性、高分辨率、低噪声和健全的传感元件设计让SCA100T-D01、SCA100T-D02 高精度双轴倾角传感器芯片成为水平测量仪器的不二选择。VTI的倾角传感器对于高频振动不灵敏，因为他们都在传感元件内部增加了阻尼，并且能承受高达20000g 的机械冲击力。特征特征 双轴倾角测量（X 轴、Y 轴）测量范围 30 SCA100T-D01
2、 90 SCA100T-D02 分辨率 0.0025(10 Hz BW,模拟输出)传感元件的过阻尼的频率响应控制(-3dB 18Hz)稳健设计，高冲击性（20000g）全温区、长期保持高稳定性 5V 直流供电 模拟电压输出 SPI 角度和温度输出 多种失败检测功能 通过检测传感器的静电场力进行自我检测 传感器故障检测 内存校验 通过无铅认证 无铅回流焊工艺 应用应用 平台调平和稳定 360垂直定向测量 仪器调平 构造层次 图 1、功能框图 目录 1.电气特性.1 1.1 绝对的最大等级.1 1.2 特征参数.1 1.3 电气特性.2 1.4 SPI 接口的直流特性.2 1.5 SPI 接口 A
3、C 特性.2 1.6 SPI 接口时序.2 1.7 引脚配置.3 1.8 典型工作特性.4 1.8.1 外部补偿.5 2.功能描述.7 2.1 测量方向.7 2.2 电压到角度转换.7 2.3 公制的输出比率.8 2.4 SPI 串行接口.8 2.5 数字量转换到角度.11 2.6 自测与故障检测模式.12 2.7 温度测量.13 3.应用信息.13 3.1 推荐原理图和印刷图.13 3.2 推荐 PCB 库元件封装尺寸.14 4.机械规格与回流焊接.15 4.1 机械规格(仅供参考).15 4.2 焊接有关.15 5.文件变化.16 6.联系信息.16 1 1.电电气气特性特性 SCA100
4、T 产品系列包括两个型号，SCA100T-D01 和 SCA100T-D02，区别在于其测量范围，其他技术指标都是一样的，下表列出的是 SCA100T 具体技术指标。1.1 绝对的最大等级绝对的最大等级 VDD 电压-0.3V 至+5.5V I/O 引脚电压-0.3V 至(VDD+0.3V)保存温度-55C 至+125C 操作温度-40C 至+125C 机械冲击 从 1 米高处跌落到混凝土表面（20000g），供电或无动力 1.2 特征参数特征参数 参数 环境 SCA100T-D01 SCA100T-D02 单位 测量范围 标称 30 0.5 90 1.0 g 响应频率（带宽）3dB LP(1
5、 8-28 8-28 Hz 0g 偏移量模拟输出 成比例输出 Vdd/2 Vdd/2 V 偏移量校准误差 0.11 0.23 0g 偏移量数字输出 1024 1024 LSB 模拟量输出灵敏度 0-1时(2 4 70 2 35 V/g mV/灵敏度校准误差 0.5 0.5%数字量输出灵敏度 1638 819 LSB/g 温度引起的角度偏移-25-85C(标准)-40-125C(最大)0.008 0.86 0.008 0.86/C 温度引起的灵敏度偏移-25-85C(标准)-40-125C(最大)0.014-2.5-+1 0.014-2.5-+1%/C%典型的非直线性 满量程 M 0.11 0.
6、57 数字输出协议 0-1时(2 11 0.035 11 0.07 Bits/LSB 输出噪音密度 DC-100Hz 0.0008 0.0008/模拟量输出分辨率 带宽 10Hz(3 0.0025 0.0025 公制误差比率 Vdd=4.75-5.25V 1 1%正交敏感 最大 4 4%长期稳定性(4 0.014 -1mA VOH Vdd-0.5 V 输出低电平 I 1 mA VOL 0.5 V 三态泄露 0 VMISO Vdd ILEAK 5 100 pA 1.5 SPI 接口接口 AC 特性特性 参数 条件 最小值 标准值 最大值 单位 输出负荷 500kHz 1 nF SPI 时钟频率
7、500 kHz 内部 A/D 转换时间 150 s 数据移动时间 500kHz 38 s 1.6 SPI 接口时序接口时序 参数 条件 符号 最小值 标准值 最大值 单位 CSB、SCK 端口 从 CSB 计时（10%）到 SCK（90%）TLS1 120 ns 从 SCK 计时（10%）到 CSB TLS2 120 ns 3 （90%）SCK 端 SCK 低电平时间 负荷容量MISO2 nF TCL 1 s SCK 高电平时间 负荷容量 MISO2 nF TCH 1 s MOSI、SCK 端口 MOSI(10%,90%)到 SCK(90%)的时间 数据装备时间 TSET 30 ns SCK(
8、90%)变更到MOSI(10%,90%)的时间 数据把握时间 THOL 30 ns MISO、CSB 端口 CSB(10%)变更到稳定 MISO(10%,90%)的时间 负荷容量 MISO15pF TVAL1 10 100 ns CSB(90%)变更到MISO高阻状态的时间 负荷容量 MISO15pF TLZ 10 100 ns MISO,SCK 端口 SCK(10%)变更到稳定 MISO(10%,90%)的时间 负荷容量 MISO VOUT=2.5V VOUT 图 8 SCA100TSCA100T 的测定方向 2.2 电压到角度转换电压到角度转换 把输出的模拟量转换为角度的方程式是：ySen
9、sitivitOffsetoutVarcsin=其中：offset 是在 0输出的电压值(电压 2.5v)Sensitivity 是芯片灵敏度(SCA100T-D01 是 4v/g，SCA100T-D02 是 2v/g)Vout 是芯片输出的模拟量 8 当角度接近于 0时，可用以下简化方程式计算，计算结果的准确性可通过下表了解。简化转换方程式：ySensitivitOffsetVout 其中：Sensitivity=70mV/(SCA100T-D01)或 Sensitivity=35mV/(SCA100T-D02)使用简化公式计算结果与实际倾斜角度之间的误差：实际倾斜角度 使用简化方程计算引起
10、的误差 0 0 1 0.0027 2 0.0058 3 0.0094 4 0.0140 5 0.0198 10 0.0787 15 0.2185 30 1.668 2.3 公制的输出比率公制的输出比率 成比例的输出意味着零偏置点和传感器的灵敏度是和电源电压成比例的，如果电源电压波动，那么 SCA100T 输出也将有所不同。使用同一电压并且启用 AD 转换器时 SCA100T 能自动补偿因电压波动而引起的误差。2.4 SPI 串行接口串行接口 一个串行外设接口（SPI）系统由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备提供时钟，从设备接收主设备提供的 SPI 时钟。在 VTI 技术产品中 ASIC
11、总是在主从模式中作为从设备。SPI 是四线的同步串行接口，通过选择从设备或者 CSB 端口来允许通信。数据通过三线接口来传输，分布是串行数据输入线（MOSI）、串行数据输出（MISO）和串行时钟（SCK）。9 图 9 典型的 SPI 连接图 VTI 产的 SPI 接口能够支持任何有 SPI 总线的微处理器，通信能够在基于软件或硬件的 SPI接口之间进行。请注意，在基于硬件的 SPI 通信，接收的数据是 11bit。数据通信用到的是以下四个端口：MOSI SCA100T 数据入 P SCA100T MISO SCA100T 数据出 SCA100T P SCK 时钟入 PSCA100T CSB 片
12、选（低电平）P SCA100T CSB 为低时开始传送数据，变高时结束传输。传输指令和数据时的控制规则如下所述：传输指令或数据时，MSB(高位)首先发送，LSB(低位)在后发送 每个输出数据/状态位在 SCK 下降沿被改变(MISO 线)每一 Bit 采样是在 SCK 的上升沿(MOSI 线)从 CSB 下降沿开始，被选中的设备开始进行 8-bit 的指令传输。指令定义要执行的运算。在 CSB 的上升边缘结束所有的数据传输而且重新设定内部的计数器和指令寄存器 如果一个无效的命令被收到，MISO 将呈现高阻态并且不允许移动芯片内的数据，直到 CSB 下降沿，重新初始化串行通信。数据传送到 MOS
13、I 时，连续接收所有数据并直接写到 SCA100T 的内部数据寄存器。向外输出数据通过 MISO，以 SCK 落下的边沿开始，SPI 接着在后面的 Bit 上，在 SCK的上升沿进行采样 最大的 SPI 时钟频率是 500kHz 10 最大的数据采样传输速度 RDAX 和 RDAY 是 5300/s/通道 SPI 指令可以是任意一个单独的命令或是一个命令和数据的组合。在组合的命令和数据的情况，输入数据连续跟随 SPI 指令，并且输入和输出数据并行传输。SPI 接口使用一个 8 比特指令寄存器。指令目录如下：指令名字 指令格式 作用 MEAS 00000000 测量模式（在上电后的正常工作模式）
14、RWTR 00001000 读和写温度数据寄存器 RDSR 00001010 读状态寄存器 RLOAD 00001011 重新载入 NV 数据到内存输出寄存器 STX 00001110 激活 X 自测通道 STY 00001111 激活 Y 自测通道 RDAX 00010000 经 SPI 读 X-通道的加速度 RDAY 00010001 经 SPI 读 Y-通道的加速度 测量模式(MEAS)是上电后的标准工作模式。在正常运转的时候，这条指令是退出自测的命令。读取温度数据寄存器（RWTR）在不影响正常工作的期间读取温度数据寄存器。温度数据寄存器每 150us 更新一次。在这期间给 CSB 加载
15、低电平是无效的，因此，为了保证读取到正确的数据，在发出 RWTR 指令之前 CSB 的高电平持续时间至少要保持 150us。数据传送格式在下图中呈现。传输的数据 MSB 在前。在正常工作中，写入温度数据寄存器任何数据都没有意义，因此推荐空位全部写“0”。图10 在SPI上的指令和8位温度数据传输 对 X 通道自测(STX)启动 X 通道自测试。内在的电荷泵被启动，产生一个高电压加载到 X通道的加速度感应元件电极。这静电力引起内部传感元件的偏转，从而模拟了正向的加速度。解除自测模式要使用 MEAS 指令，两个通道的自测模式不能同时进行 对 Y 通道自测(STY)启动 Y 通道自测试。内在的电荷泵
16、被启动，产生一个高电压加载到 Y通道的加速度感应元件电极 读 X-通道的加速度(RDAX)访问经过 AD 转换的 X 通道的加速度，加速度信号存储在加速度数据寄存器 X 中。11 读 Y-通道的加速度(RDAX)访问经过 AD 转换的 Y 通道的加速度，加速度信号存储在加速度数据寄存器 Y 中。在正常工作的时候，加速度数据寄存器每 150s 被更新一次。在这期间给 CSB 加载低电平是无效的，因此，为了保证读取到正确的数据，在发出 RWTR 指令之前 CSB 的高电平持续时间至少要保持 150us。输出数据是一个 11 位的数字量，MSB 在前 LSB 在后。图11在SPI 上的指令和11 位
17、加速度数据传输时序图 2.5 数字量转换到角度数字量转换到角度 加速度测量后产生 11 位数据格式的数字量，并且存储在 RDAX 和 RDAY 数据寄存器中。数据范围是 0-2048。在零度位置 RDAX 和 RDAY 数据寄存器的数字量是：二进制：100 0000 0000 十进制：1024 按照某一角度旋转的数字量转换为角度值的函数为：/arcsin0gLSBSensLSBDLSBDoutout 其中：Dout X 或 Y 通道的数字输出量 Dout0 数值抵消（一般-1024）角度 Sens 芯片敏感度(SCA100T-D01:1638,SCA100T-D02:819)下表中的例子包含倾
18、斜角度在-5、-1、0、1 and 5 度时，数据寄存器相对应的数值 角度 加速度 RDAX(SCA100T-D01)RDAX(SCA100T-D02)-5-87.16 十进制:881 二进制：:011 0111 0001 十进制:953 二进制:011 1011 1001-1-17.45 十进制:995 二进制:011 1110 0011 十进制:1010 二进制:011 1111 0010 0 0 十进制:1024 二进制:100 0000 0000 十进制:1024 二进制:100 0000 0000 1 17.45 十进制:1053 二进制:100 0001 1101 十进制:1038
19、 二进制:100 0000 1110 5 87.16 十进制:1167 二进制:100 1000 1111 十进制:1095 二进制:100 0100 0111 12 2.6 自测与故障检测模式自测与故障检测模式 为了确保测量结果准确可靠，SCA100T 要检测连接失败和校准存储器有效性。一旦发现故障强制输出信号电平接近于电源地或 Vdd，在正常输出范围之外。正常输出范围是:模拟量 0.25-4.75V(Vdd=5V)和 SPI 102.1945.校准控制寄存器内容有效性，是打开连续的奇偶校验检查。万一在一个地方发现奇偶校验错误，会将原始数据从 EEPROM 中自动的重新载入控制寄存器中。如果
20、载入数据之后又发现一个新的奇偶校验错误，两个模拟电压输出端将强迫输出低电平(0.25v)并且 SPI 输出值低于102。SCA100T 也包含一个单独(分开)的自测试模式。使用一个静电力，真实自测试模拟加速度，或减速(度)。静电力模拟加速度，也就是高度偏斜内部质量(块)到极端的实际位置，这将导致输出信号达到最大值。那自测试功能可控制任意一个，通过一个单独的开关命令在自测的时候输入，或通过 SPI。自测试时产生一个静电力，使敏感元件质量块偏斜，从而校验全部的信号通道。正确自测要执行下列各项检查：传感元件运动检查 ASIC(集成电路)信号通道检查 电路板信号通道检查 微控制器 A/D(模数转换)和
21、信号通道检查 创造的偏转能影响 SPI 或模拟输出，激活自测试功能要使用 STX 或 STY 命令，解除自测试要用 MEAS 命令。激活自测试功能也可以加载逻辑“1”(高电平)到 SCA100T 的 9、10 脚。自测时输入高电平是 4Vdd+0.3 V 低电平是 0.3 1 V。两个自测通道不能同时启动。图 12 自测波形图 V1=在激活自测功能之前的初始电压 V2=在自测期间的输出电压 V3=在解除自测功能而且在稳定时间之后的输出电压 请注意那个错误波段，在指定的稳定时间之后，那 V3 输出保证是在初始数值的 5%之内，在一个比较长的时间之后(最大 1 秒)V1=V3 13 T1 激活自测
22、试时的脉冲宽度 T2 饱和延迟 T3 恢复时间 T4 稳定时间=T2+T3 T5 自测试时的上升时间 自测试特征:T1ms T2ms T3ms T4ms T5ms V2 V3 20-100 Typ.25 Typ30 Typ.55 Typ.15 Min.95*VDD(4.75V Vdd=5V)0.95*V1-1.05*V1 2.7 温度测量温度测量 SCA100T 有一个内在的温度传感器,作为内在的补偿。此温度信息也可用作外部补偿，并且可以通过 SPI 进行访问(存取)它是一个 8 比特的数据(0-255)。转换数据通过下式计算:083.1197CountsT 其中：Counts 读取温度数据
23、T 温度 C 以上温度测量输出没有校正，内在的温度补偿程序对有关计算结果不需要绝对的准确度，如果温度测量结果还要作为另外的外部补偿，然后外部的一点需要校正来消除偏移.用外部的一点校正温度测量的准确度是1 C 3.应用信息应用信息 3.1 推荐原理图和印刷图推荐原理图和印刷图 SCA100T 应该由稳定的 5 伏直流电源供电，数字电源线应尽量减少耦合。VDD 引脚 12 和GND 之间必须使用 100nF 电容进行滤波。SCA100T 是成比例输出的，为了获得最佳性能，SCA100T 和模拟/数字转换器应该使用相同的参考电压。SCA100T 输出端应使用 5.11 K 和 10nF 的低通 RC
24、 滤波器减少时钟噪。在绘制 PCB 的时候，100nF 的电源滤波电容应该尽量靠近 VDD 端口 12，并且连接线尽可能短，电容器的另一端直接连接到地。GND 引脚 6 接地，电源线和地线避免过窄。14 图 13 模拟量输出示例 图 14 SPI 输出示例 3.2 推荐推荐 PCB 库元件封装尺寸库元件封装尺寸 图 15 PCB 封装图 15 4.机械规格与回流焊接机械规格与回流焊接 4.1 机械规格机械规格(仅供参考仅供参考)引线框架材料：铜 电镀：镍镀金 可焊性：JEDEC 标准：jesd22-s C RoHS：符合 RoHS 无铅组件。平面度误差不超过 0.1mm。重量小于 1.2g 图
25、 16 SCA100T 的机械尺寸（尺寸，毫米）4.2 焊接有关焊接有关 SCA100T 适用于锡铅共晶和无铅焊接工艺以及常规 SMD 贴装焊接设备 图 17 回流焊接过程中的温度分布。Ref.IPC/JEDEC J-STD-020B.16 轮廓特征 锡铅共晶组件 无铅组件 平均量产率（TL to TP）3C/第二最大 3C/第二最大 预热 最低温度（Tsmin）100C 150C 最高温度（Tsmax）150C 200C 时间（最小到最大）（ts）60-120s 60-180s Tsmax 到 T，升温速率 时间 温度（TL）183 217 时间（tL）60-150s 60-150s 峰值温
26、度（TP）240+0/-5C 250+0/-5C 5 C 到达峰值温度的时间 10-30s 20-40s 斜坡下降率 6C/第二最大 6C/第二最大 25 到达温度峰值的时间 最多 6 分钟 最多 8 分钟 元件的潮湿敏感等级参照的是 IPC/JEDEC J-STD-020B 标准，应该在干燥的地方保存，在生产车间的时间（出包）是 168 小时。注意：预热时间和温度根据锡膏制造商的指导 元器件应该平行焊接于 PCB 平面确保没有角度误差 不推荐波峰焊接 不允许超声波清洗，传感元件在超声波清洗中会受损。5.文件变化文件变化 版本 日期 变化 A 1.9-06 起始版本 6.联系信息联系信息 中国上海浦东新区蔡伦路 780 VTI 公司上海办事处 618 室、电话：+86 21 5132 0417 传真：86 21 513 20 416
