MEMS加速度计在声学拾音器中的应用介绍

引言

MEMS1 (微机电系统)利用专为半导体集成电路所开发的制造工艺设施实现生产制造。微机电结构的实现方法是通过在半导体基片上刻蚀特定的图形，来实现传感器单元或者可以移动零点几微米的机械执行器。MEMS压力传感器是第一类批量应用的产品，如今用于负责监测数以亿计的发动机歧管和轮胎的压力;而MEMS加速度计则用于安全气囊、翻滚检测以及汽车报警系统，时间也已超过15年之久。

MEMS 加速度计2 还用于消费电子领域里的运动感应，如视频游戏与手机。MEMS微镜光学执行器用于投影仪、HDTV以及数字影院。近几年，MEMS麦克风3也开始进入广阔的消费市场，包括手机、蓝牙耳机、个人计算机以及数码相机等。

本文将讨论MEMS加速度计产品中所采用的一些关键技术，并讨论这些技术如何为声学传感器带来新应用。

MEMS加速度计技术

典型的MEMS加速度计的核心单元是一个由两组指状栅条组成的可移动条形结构：其中一组固定到基片上一个实体地平面上;而另一组则连接到一个安装到一组弹簧上的质量块上，该弹簧能够根据所施加的加速度产生移动。所施加的加速度(图1)将改变固定和移动栅条之间的电容。4

图1：MEMS加速度计结构。

图2：ADXL50 MEMS加速度计结构。

这些MEMS结构的尺寸为微米量级(图2)，故需要精度极高的半导体光刻和蚀刻工艺技术。MEMS结构通常采用单晶硅形成，或者采用以极高的温度沉积到单晶硅晶圆表面上的多晶硅。采用这一灵活的技术可以形成机械特性差异很大的结构。其中一个可以控制和可改变的机械参数是弹簧刚度。设计中还可以改变传感单元的质量以及结构阻尼。传感器可以实现从零点几个g到数百个g加速度的感应，其带宽高达20kHz。

图3：ADXL202 ±2 g加速度计。

MEMS传感单元可以被连接到位于同一芯片(图3)或者不同芯片(图4)上的信号调理电路。对于单芯片解决方案，传感单元的电容可以低至每g 1-2毫微微法拉，这相当于10-18F的测量分辨率! 而在双芯片架构中，MEMS单元的电容必须足够高，以克服MEMS和ASIC调理电路之间连接线的寄生电容影响。5

图4：典型的双芯片加速度计的截面图。
作为振动测量传感器的加速度计

在乐器中利用振动感应传感器进行拾音的概念也并非新概念。6 压电和电磁传感器是当今许多声学拾音应用的基础。由于微型的MEMS加速度计体积和质量都很小，不会对乐器产生机械或质量载荷方面的影响，从而在这些应用中颇具吸引力。不过迄今为止，由于商用加速度传感器的带宽较窄，其应用还比较有限。

加速度计技术方面的一些最新突破性进展成就了具有非常高带宽但又非常小的加速度计的量产。采用5mm×5mm×2mm封装的 ADXL0017(图5)高g(±70g到±500g)单轴加速度计的带宽已高达22kHz，是监测振动的理想选择，可以通过检测设备声学特性的变化来确定电机或其他工业设备的“健康”状况。在轴承磨损的早期阶段，利用一个贴附在系统基座上的高g振动传感器，就可以检测到一个位于音频范围内的清晰振动信号。这种用来测量高达10g量级的特殊传感器，显然要用作为乐器的声学振动传感器是不够灵敏的。理想的声学传感器需要测量所有3个轴向上的响应，而它却只能感应单轴运动。然而目前已经证明，采用MEMS技术已经能够实现全音频带宽内的加速度传感器。

图5：ADXL001的频率响应曲线。

低g加速度计可以测量低至千分之一g级的加速度，但带宽一般被限制在5kHz左右。实际上这一限制的原因可能是需要很高带宽的商业应用太少(主要的应用包括人的运动或者重力引起的加速检测)，故缺乏开发特别适用于音频频段测量的传感器的动力。

一个3轴加速度计有3个独立的输出，分别测量笛卡儿坐标中X、Y、Z轴上的加速度。 ADXL3308 3轴低g加速度计具有比传统的低g加速度计更宽的有效带宽，其带宽在X和Y轴上高达6kHz，而在Z轴上为1kHz左右。虽然还不够理想，但这个带宽已经使得该器件可以获取音频段上的有用信息。其输出为模拟信号，故很容易用于标准的录音设备。该器件采用标准的表贴封装，充分利用了成熟的半导体工艺制造设备。其封装尺寸为4mm×4mm×1.45mm(图6)，可以适用于对于传统加速度计技术来说简直是不可思议的地方。其体积非常小，不会引起被测系统中质量载荷或者其他方面的改变。下面将介绍为何该低g加速度计可以用于吉他的声学拾音应用。

图6：MEMS加速度计，封装尺寸为4mm× 4mm×1.45mm。

声音反馈问题

丹麦科学家Soren Larsen在上世纪20年代9中期首次引入了全向电容式动态麦克风，是他最早发现了声音反馈原理(称为Larsen效应)。对声