作者：Rob O'Reilly, Alex Khenkin, 和 Kieran Harney

引言

MEMS1（微機電系統）利用專(zhuān)為半導體集成電路所開(kāi)發(fā)的制造工藝 設施實(shí)現生產(chǎn)制造。微機電結構的實(shí)現方法是通過(guò)在半導體基片上刻蝕特定的圖形，來(lái)實(shí)現傳感器單元或者可以移動(dòng)零點(diǎn)幾微米的機 械執行器。MEMS壓力傳感器是第一類(lèi)批量應用的產(chǎn)品，如今用于負責監測數以?xún)|計的發(fā)動(dòng)機歧管和輪胎的壓力；而MEMS加速度計則用 于安全氣囊、翻滾檢測以及汽車(chē)報警系統，時(shí)間也已超過(guò)15年之久。

MEMS 加速度計2還用于消費電子領(lǐng)域里的運動(dòng)感應，如視頻游戲與手機。MEMS微鏡光學(xué)執行器用于投影儀、HDTV以及數字影院。近幾年，MEMS麥克風(fēng)3也開(kāi)始進(jìn)入廣闊的消費市場(chǎng)，包括手機、藍牙耳機、個(gè)人計算機以及數碼相機等。

本文將討論MEMS加速度計產(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(lái)新應用。

MEMS加速度計技術(shù)

典型的MEMS加速度計的核心單元是一個(gè)由兩組指狀柵條組成的可移動(dòng)條形結構：其中一組固定到基片上一個(gè)實(shí)體地平面上；而另一 組則連接到一個(gè)安裝到一組彈簧上的質(zhì)量塊上，該彈簧能夠根據所施加的加速度產(chǎn)生移動(dòng)。所施加的加速度（圖1）將改變固定和移動(dòng)柵條之間的電容。3

圖1. MEMS加速度計結構。

圖2. ADXL50 MEMS加速度計結構。

這些MEMS結構的尺寸為微米量級（圖2），故需要精度極高的半導體光刻和蝕刻工藝技術(shù)。MEMS結構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)可以形成機械特性差異很大的結構。其中一個(gè)可以控制和可 改變的機械參數是彈簧剛度。設計中還可以改變傳感單元的質(zhì)量以及結構阻尼。傳感器可以實(shí)現從零點(diǎn)幾個(gè)g到數百個(gè)g加速度的感應，其帶寬高達20kHz。

圖3. ADXL202 ±2 g加速度計。

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，這相當于10-18F的測量分辨率！而在雙芯片架構中，MEMS單元的電容必須足夠高，以克服MEMS和ASIC調理電路之間連接線(xiàn)的寄生電容影響。4

圖4. 典型的雙芯片加速度計的截面圖。

作為振動(dòng)測量傳感器的加速度計

在樂(lè )器中利用振動(dòng)感應傳感器進(jìn)行拾音的概念也并非新概念。5壓電和電磁傳感器是當今許多聲學(xué)拾音應用的基礎。由于微型的 MEMS加速度計體積和質(zhì)量都很小，不會(huì )對樂(lè )器產(chǎn)生機械或質(zhì)量載荷方面的影響，從而在這些應用中頗具吸引力。不過(guò)迄今為止，由于商用加速度傳感器的帶寬較窄，其應用還比較有限。

加速度計技術(shù)方面的一些最新突破性進(jìn)展成就了具有非常高帶寬但又非常小的加速度計的量產(chǎn)。采用5mm × 5mm × 2mm封裝的 ADXL0016（圖5）高g（±70g到±500g）單軸加速度計的帶寬已高達 22kHz，是監測振動(dòng)的理想選擇，可以通過(guò)檢測設備聲學(xué)特性的變化來(lái)確定電機或其他工業(yè)設備的"健康"狀況。在軸承磨損的早期 階段，利用一個(gè)貼附在系統基座上的高g振動(dòng)傳感器，就可以檢測到一個(gè)位于音頻范圍內的清晰振動(dòng)信號。這種用來(lái)測量高達10g量 級的特殊傳感器，顯然要用作為樂(lè )器的聲學(xué)振動(dòng)傳感器是不夠靈敏的。理想的聲學(xué)傳感器需要測量所有3個(gè)軸向上的響應，而它卻只能 感應單軸運動(dòng)。然而目前已經(jīng)證明，采用MEMS技術(shù)已經(jīng)能夠實(shí)現全音頻帶寬內的加速度傳感器。

圖5. ADXL001的頻率響應曲線(xiàn)。

低g加速度計可以測量低至千分之一g級的加速度，但帶寬一般被限制在5kHz左右。實(shí)際上這一限制的原因可能是需要很高帶寬的商 業(yè)應用太少（主要的應用包括人的運動(dòng)或者重力引起的加速檢測），故缺乏開(kāi)發(fā)特別適用于音頻頻段測量的傳感器的動(dòng)力。

一個(gè)3軸加速度計有3個(gè)獨立的輸出，分別測量笛卡兒坐標中 X, Y, Z 軸上的加速度。 ADXL3307 3軸低g加速度計具有比傳統的低g加速度 計更寬的有效帶寬，其帶寬在X和Y軸上高達6kHz，而在Z軸上為1kHz左右。雖然還不夠理想，但這個(gè)帶寬已經(jīng)使得該器件可以獲取音頻 段上的有用信息。其輸出為模擬信號，故很容易用于標準的錄音設備。該器件采用標準的表貼封裝，充分利用了成熟的半導體工藝制 造設備。其封裝尺寸為4mm × 4mm × 1.45mm（圖6），可以適用于對于傳統加速度計技術(shù)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是不可思議的地方。其體積非常小， 不會(huì )引起被測系統中質(zhì)量載荷或者其他方面的改變。下面將介紹為何該低g加速度計可以用于吉他的聲學(xué)拾音應用。

圖6. MEMS加速度計，封裝尺寸為4mm × 4mm × 1.45mm。

聲音反饋問(wèn)題

丹麥科學(xué)家Soren Larsen在上世紀20年代8中期首次引入了全向電容式動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)，是他最早發(fā)現了聲音反饋原理（稱(chēng)為L(cháng)arsen效應）。 對聲學(xué)工程師來(lái)說(shuō)，聲音反饋一直都是一個(gè)噩夢(mèng)，很少有工程師能夠完全控制它，特別是在任何演出現場(chǎng)都不可避免。甲殼蟲(chóng)樂(lè )隊充 分感受到了這種偽聲的影響，繼而在19649年決定將其添加到他們難忘的專(zhuān)輯"我感覺(jué)很好"的介紹曲中。隨后Rock 'n' Roll也開(kāi)始像馴 服野獸一樣利用它，利用聲音反饋在搖滾樂(lè )中增添了令人耳目一新的特色。而電吉他手，如Pete Townshend和Jimi Hendrix，則故意地把 吉他靠近揚聲器來(lái)利用聲音反饋。隨著(zhù)這種風(fēng)潮的消退，音頻工程師繼續努力消除聲音反饋所引起的令人不適的聽(tīng)覺(jué)效果，特別是在現場(chǎng)演出過(guò)程中。在完美設計并經(jīng)過(guò)特殊聲學(xué)處理的試音室里，利用全向麥克風(fēng)可以完美地錄制樂(lè )器聲，幾乎達到驚人的現場(chǎng)感和保真度。理解并珍惜這一點(diǎn)的藝術(shù)家一直都在孜孜不倦地尋求如何能夠把這種效果重現在舞臺上。雖然希望能夠以演播室一樣的質(zhì)量來(lái)錄制現場(chǎng)演出一直都是音樂(lè )家的夢(mèng)想，然而實(shí)際上這卻是不可能的。 即使在舞臺上采用最好的音響設備，舞臺也經(jīng)過(guò)了極佳的聲學(xué)設計，聲音工程師也能精通地利用各種混響并可以擁有最佳的設備和工具， 但要獲得理想的音效仍然存在著(zhù)難以逾越的障礙：那就是聲音反饋。

聲學(xué)拾音

通常通過(guò)采用定向麥克風(fēng)可以把聲音反饋減到最小。某種程度上這是可以的，不過(guò)需要調音工程師不停地調節，來(lái)適應舞臺特性的不斷變化。

利用拾音器可以對樂(lè )器聲音進(jìn)行放大。所采用的各種技術(shù)具有一定差異，但基本的原理都是直接感應樂(lè )器本身的振動(dòng)，而并非檢測空 中它所產(chǎn)生的聲波。這種做法的優(yōu)點(diǎn)很明顯：即拾音器幾乎不會(huì )產(chǎn)生聲音反饋，原因是它們對空氣中傳遞的聲波不敏感。但這種方法 也有許多缺點(diǎn)：包括要在樂(lè )器上找到最佳的發(fā)聲位置是極其困難的，壓電拾音器的聲學(xué)特性也遠遠算不上完美，它們的輸出阻抗為高 阻，故需要特殊的樂(lè )器輸入或直駁盒(direct boxes)。此外，體積也較大，從而會(huì )影響樂(lè )器本身的自然聲學(xué)特性。

于是，這些問(wèn)題導致了低質(zhì)量接觸式麥克風(fēng)的概念。假如我們采用一個(gè)表面式傳感器來(lái)測量樂(lè )器本體的加速度，這要比單軸更合適。10這 種傳感器具有更好的線(xiàn)性度，重量輕，從而不會(huì )影響被測樂(lè )器的聲音特性。還可以進(jìn)一步假定這些傳感器具有類(lèi)似的輸出電平、輸出 阻抗，以及所需功率與傳統麥克風(fēng)相當。簡(jiǎn)言之，就是設想能夠使樂(lè )師將該傳感器插入到麥克風(fēng)前置放大器或混音器輸入的位置，就像任何其他麥克風(fēng)一樣。

接觸式麥克風(fēng)

我們在前面已經(jīng)提到過(guò)加速度的概念。人耳響應的是聲壓，故麥克風(fēng)也被設計成聲壓感測功能。為了簡(jiǎn)化討論，這里直接給出一個(gè)結 論，即一個(gè)靠近振動(dòng)體的聲壓與加速度成正比。11問(wèn)題是加速度計具有多高的帶寬方可用作為接觸式麥克風(fēng)？

為了研究清楚這個(gè)概念，將一個(gè)3軸加速度計安裝到吉他上作為一個(gè)拾音器。對樂(lè )器的振動(dòng)進(jìn)行測量，并與內置的壓電拾音器以及靠 近吉他的MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行比較。所用的吉他為Fender Stratacoustic，帶有內置的Fender拾音器。在重量很輕的柔性電路（具有刻蝕導線(xiàn) 的聚酰亞胺®) 上貼裝了一個(gè)模擬輸出的MEMS加速度計，并用蜂蠟將其貼裝到吉他的琴橋位置，如圖7所示。加速度計的X軸與吉他弦線(xiàn) 的方向一致，Y軸與吉他弦線(xiàn)垂直，而Z軸則與吉他表面垂直。把一個(gè)平坦頻率響應達到15kHz的MEMS麥克風(fēng)安裝到距弦線(xiàn)3英寸遠的位置作為參考。

圖7. 安裝到Fender Stratacoustic吉它上的加速度計。

利用該加速度計、內置的壓電拾音器和MEMS麥克風(fēng)各自錄制了一段聲音。圖8給出了每個(gè)傳感器的時(shí)域波形，這里沒(méi)有對任何音段進(jìn)行后處理。

圖8. 采用不同傳感器的時(shí)域波形。

圖9所示為在上述時(shí)域波形的一個(gè)峰值上所測得的壓電拾音器的FFT頻譜。結果顯示響應中具有較強的低音分量。確實(shí)，實(shí)際的音頻文檔 中都較多地具有許多低音響應。這種聲音比較悅耳（還取決于個(gè)人偏好），因為腔體諧振能夠產(chǎn)生比從樂(lè )器上直接聽(tīng)到的更豐富的低音。

圖9. 壓電拾音器的頻譜。

MEMS麥克風(fēng)的輸出則非常平坦，樂(lè )聲的重現效果非常好。其音質(zhì)非 常自然，均衡較好，逼真度高。與壓電拾音器相同時(shí)間點(diǎn)上測得的FFT頻譜如圖10(a)所示。作為參考，圖10(b)給出了MEMS麥克風(fēng)的頻率響應。

圖10(a). MEMS麥克風(fēng)的頻譜。

圖10(b). MEMS麥克風(fēng)的頻率響應。

MEMS加速度計的輸出非常有意思。目前其缺點(diǎn)包括噪聲基底過(guò)高，在音軌的開(kāi)始和末尾都能聽(tīng)到，且Z軸帶寬明顯限制到較低的頻率。每個(gè)軸向上的聲音再現也顯著(zhù)不同。

X軸和Y軸上的聲音明快而清晰，聲調上有可分辨出的明顯差異。正如預期，Z軸上的聲音明顯地主要為低音。圖11中(a)、(b)、(c)分別給出 了X、Y、Z軸上的頻譜。

圖11(a). X軸上的頻譜。

圖11(b). Y軸上的頻譜。

圖11(c). Z軸上的頻譜。

如果將X、Y和Z軸混合到一起，即可實(shí)現樂(lè )聲的較好重現，具有一定的明晰度。通過(guò)對混音環(huán)節進(jìn)行調節，可以實(shí)現音調平衡變化，達 到自然的樂(lè )聲重現。由于目前加速度計的帶寬限制，更大范圍的高頻諧波丟失了，但聲音重現仍然驚人地逼真。

結束語(yǔ)

低g值MEMS加速度計沒(méi)有傳統的聲音反饋問(wèn)題，可以作為樂(lè )器所用的高質(zhì)量拾音器，具有明顯的應用潛力。上面的實(shí)驗結果表明，貼 裝到Fender Stratacoustic吉他上的一個(gè)3軸加速度計能實(shí)現良好的樂(lè )聲重現。由于樂(lè )器本體不同方向上的振動(dòng)模式不一樣，故與之相關(guān) 的加速度計3個(gè)軸上的聲音特性也不一樣，對三個(gè)通道輸出進(jìn)行混音可以再現原來(lái)的音效。此外，用不同的方式對這些通道的聲音進(jìn)行混音處理可以產(chǎn)生富有創(chuàng )造性的音效。

在本實(shí)驗中，雖然從加速度計的性能看應用前景不錯，但也存在一些缺點(diǎn)，例如能夠聽(tīng)得到傳感器的基底噪聲，不過(guò)可以通過(guò)利用噪 聲門(mén)控或者其他技術(shù)將這個(gè)問(wèn)題的影響降到最小，而且理想傳感器的噪聲基底將與傳統麥克風(fēng)差不多。傳感器的高頻響應需要進(jìn)行擴展，理想的是能達到20kHz，這樣方可覆蓋樂(lè )器的整個(gè)音頻范圍。

MEMS加速度計技術(shù)在樂(lè )器的拾音應用方面具有明顯的潛在優(yōu)勢，特別是那些為聲音反饋問(wèn)題困擾的現場(chǎng)應用。一個(gè)體積非常小、低 功耗的MEMS器件可以貼裝到樂(lè )器中任何不顯眼的位置上，而且不會(huì )影響樂(lè )器的自然振動(dòng)特性。實(shí)際上，可以在樂(lè )器的不同位置上貼 裝數個(gè)傳感器，為聲學(xué)工程師重現樂(lè )器的自然特質(zhì)提供額外的靈活度，還無(wú)需擔心現場(chǎng)應用的聲音反饋，因此可以說(shuō)，距離"理想的音樂(lè )"只差一步之遙！