MEMS加速度计在声学拾音器中的应用

　　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。