MEMS加速度計(jì)在聲學(xué)拾音器中的應(yīng)用

　　引言

　　MEMS1 (微機(jī)電系統(tǒng))利用專為半導(dǎo)體集成電路所開發(fā)的制造工藝設(shè)施實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造。微機(jī)電結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法是通過在半導(dǎo)體基片上刻蝕特定的圖形，來實(shí)現(xiàn)傳感器單元或者可以移動零點(diǎn)幾微米的機(jī)械執(zhí)行器。MEMS壓力傳感器是第一類批量應(yīng)用的產(chǎn)品，如今用于負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)以億計(jì)的發(fā)動機(jī)歧管和輪胎的壓力;而MEMS加速度計(jì)則用于安全氣囊、翻滾檢測以及汽車報(bào)警系統(tǒng)，時(shí)間也已超過15年之久。

　　MEMS 加速度計(jì)2 還用于消費(fèi)電子領(lǐng)域里的運(yùn)動感應(yīng)，如視頻游戲與手機(jī)。MEMS微鏡光學(xué)執(zhí)行器用于投影儀、HDTV以及數(shù)字影院。近幾年，MEMS麥克風(fēng)3也開始進(jìn)入廣闊的消費(fèi)市場，包括手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、個人計(jì)算機(jī)以及數(shù)碼相機(jī)等。

　　本文將討論MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品中所采用的一些關(guān)鍵技術(shù)，并討論這些技術(shù)如何為聲學(xué)傳感器帶來新應(yīng)用。

　　MEMS加速度計(jì)技術(shù)

　　典型的MEMS加速度計(jì)的核心單元是一個由兩組指狀柵條組成的可移動條形結(jié)構(gòu)：其中一組固定到基片上一個實(shí)體地平面上;而另一組則連接到一個安裝到一組彈簧上的質(zhì)量塊上，該彈簧能夠根據(jù)所施加的加速度產(chǎn)生移動。所施加的加速度(圖1)將改變固定和移動?xùn)艞l之間的電容。4

　　圖1：MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。

　　圖2：ADXL50 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。

　　這些MEMS結(jié)構(gòu)的尺寸為微米量級(圖2)，故需要精度極高的半導(dǎo)體光刻和蝕刻工藝技術(shù)。MEMS結(jié)構(gòu)通常采用單晶硅形成，或者采用以極高的溫度沉積到單晶硅晶圓表面上的多晶硅。采用這一靈活的技術(shù)可以形成機(jī)械特性差異很大的結(jié)構(gòu)。其中一個可以控制和可改變的機(jī)械參數(shù)是彈簧剛度。設(shè)計(jì)中還可以改變傳感單元的質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)阻尼。傳感器可以實(shí)現(xiàn)從零點(diǎn)幾個g到數(shù)百個g加速度的感應(yīng)，其帶寬高達(dá)20kHz。

　　圖3：ADXL202 ±2 g加速度計(jì)。

　　MEMS傳感單元可以被連接到位于同一芯片(圖3)或者不同芯片(圖4)上的信號調(diào)理電路。對于單芯片解決方案，傳感單元的電容可以低至每g 1-2毫微微法拉，這相當(dāng)于10-18F的測量分辨率! 而在雙芯片架構(gòu)中，MEMS單元的電容必須足夠高，以克服MEMS和ASIC調(diào)理電路之間連接線的寄生電容影響。5

　　圖4：典型的雙芯片加速度計(jì)的截面圖。