MEMS加速度計在聲學(xué)拾音器中的應用介紹

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。4

　　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。5

　　圖4：典型的雙芯片加速度計的截面圖。