MEMS加速度計在聲學拾音器中的應用介紹

引言

　　MEMS1 (微機電系統)利用專為半導體集成電路所開發的制造工藝設施實現生產制造。微機電結構的實現方法是通過在半導體基片上刻蝕特定的圖形，來實現傳感器單元或者可以移動零點幾微米的機械執行器。MEMS壓力傳感器是第一類批量應用的產品，如今用于負責監測數以億計的發動機歧管和輪胎的壓力;而MEMS加速度計則用于安全氣囊、翻滾檢測以及汽車報警系統，時間也已超過15年之久。

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

　　本文將討論MEMS加速度計產品中所采用的一些關鍵技術，并討論這些技術如何為聲學傳感器帶來新應用。

　　MEMS加速度計技術

　　典型的MEMS加速度計的核心單元是一個由兩組指狀柵條組成的可移動條形結構：其中一組固定到基片上一個實體地平面上;而另一組則連接到一個安裝到一組彈簧上的質量塊上，該彈簧能夠根據所施加的加速度產生移動。所施加的加速度(圖1)將改變固定和移動柵條之間的電容。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。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可以形成機械特性差異很大的結構。其中一個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量以及結構阻尼。傳感器可以實現從零點幾個g到數百個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的寄生電容影響。5

　　圖4：典型的雙芯片加速度計的截面圖。