MEMS 加速度計還用於消費電子領域裏的運動感應
，如視頻遊戲與手機。MEMS微鏡光學執行器用於投影儀、HDTV以及數字影院。近幾年
，MEMS麥克風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，並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麵上；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。

 

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jie構gou通tong常chang采cai用yong單dan晶jing矽gui形xing成cheng，或huo者zhe采cai用yong以yi極ji高gao的de溫wen度du沉chen積ji到dao單dan晶jing矽gui晶jing圓yuan表biao麵mian上shang的de多duo晶jing矽gui。采cai用yong這zhe一yi靈ling活huo的de技ji術shu可ke以yi形xing成cheng機ji械xie特te性xing差cha異yi很hen大da的de結jie構gou。其qi中zhong一yi個ge可ke以yi控kong製zhi和he可ke改gai變bian的de機ji械xie參can數shu是shi彈dan簧huang剛gang度du。設she計ji中zhong還hai可ke以yi改gai變bian傳chuan感gan單dan元yuan的de質zhi量liang以yi及ji結jie構gou阻zu尼ni。傳chuan感gan器qi可ke以yi實shi現xian從cong零ling點dian幾ji個geg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於同一芯片（圖3）或者不同芯片（圖4）上的信號調理電路。對於單芯片解決方案，傳感單元的電容可以低至每g 1-2毫微微法拉
，這相當於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。

 

圖4. 典型的雙芯片加速度計的截麵圖。

 

作為振動測量傳感器的加速度計

 

在樂器中利用振動感應傳感器進行拾音的概念也並非新概念。壓電和電磁傳感器是當今許多聲學拾音應用的基礎。由於微型的MEMS加(jia)速(su)度(du)計(ji)體(ti)積(ji)和(he)質(zhi)量(liang)都(dou)很(hen)小(xiao)，不(bu)會(hui)對(dui)樂(le)器(qi)產(chan)生(sheng)機(ji)械(xie)或(huo)質(zhi)量(liang)載(zai)荷(he)方(fang)麵(mian)的(de)影(ying)響(xiang)，從(cong)而(er)在(zai)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)頗(po)具(ju)吸(xi)引(yin)力(li)。不(bu)過(guo)迄(qi)今(jin)為(wei)止(zhi)
，由(you)於(yu)商(shang)用(yong)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)帶(dai)寬(kuan)較(jiao)窄(zhai)，其(qi)應(ying)用(yong)還(hai)比(bi)較(jiao)有(you)限(xian)。

 

加速度計技術方麵的一些最新突破性進展成就了具有非常高帶寬但又非常小的加速度計的量產。采用5mm × 5mm × 2mm封裝的 ADXL001（圖5）高g（±70g到±500g）單軸加速度計的帶寬已高達22kHz
，是監測振動的理想選擇，可以通過檢測設備聲學特性的變化來確定電機或其他工業設備的"健康"狀況。在軸承磨損的早期階段，利用一個貼附在係統基座上的高g振動傳感器
，就可以檢測到一個位於音頻範圍內的清晰振動信號。這種用來測量高達10g量 級的特殊傳感器
，顯然要用作為樂器的聲學振動傳感器是不夠靈敏的。理想的聲學傳感器需要測量所有3個軸向上的響應，而它卻隻能感應單軸運動。然而目前已經證明，采用MEMS技術已經能夠實現全音頻帶寬內的加速度傳感器。

 

圖5. ADXL001的頻率響應曲線。

 

低g加速度計可以測量低至千分之一g級的加速度，但帶寬一般被限製在5kHz左右。實際上這一限製的原因可能是需要很高帶寬的商 業應用太少（主要的應用包括人的運動或者重力引起的加速檢測）
，故缺乏開發特別適用於音頻頻段測量的傳感器的動力。

 

一個3軸加速度計有3個獨立的輸出
，分別測量笛卡兒坐標中 X, Y, Z 軸上的加速度。 ADXL330 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zuo右you。雖sui然ran還hai不bu夠gou理li想xiang
，但dan這zhe個ge帶dai寬kuan已yi經jing使shi得de該gai器qi件jian可ke以yi獲huo取qu音yin頻pin段duan上shang的de有you用yong信xin息xi。其qi輸shu出chu為wei模mo擬ni信xin號hao
，故gu很hen容rong易yi用yong於yu標biao準zhun的de錄lu音yin設she備bei。該gai器qi件jian采cai用yong標biao準zhun的de表biao貼tie封feng裝zhuang
，充chong分fen利li用yong了le成cheng熟shu的de半ban導dao體ti工gong藝yi製zhi造zao設she備bei。其qi封feng裝zhuang尺chi寸cun為wei4mm × 4mm × 1.45mm（圖6），可(ke)以(yi)適(shi)用(yong)於(yu)對(dui)於(yu)傳(chuan)統(tong)加(jia)速(su)度(du)計(ji)技(ji)術(shu)來(lai)說(shuo)簡(jian)直(zhi)是(shi)不(bu)可(ke)思(si)議(yi)的(de)地(di)方(fang)。其(qi)體(ti)積(ji)非(fei)常(chang)小(xiao)，不(bu)會(hui)引(yin)起(qi)被(bei)測(ce)係(xi)統(tong)中(zhong)質(zhi)量(liang)載(zai)荷(he)或(huo)者(zhe)其(qi)他(ta)方(fang)麵(mian)的(de)改(gai)變(bian)。下(xia)麵(mian)將(jiang)介(jie)紹(shao)為(wei)何(he)該(gai)低(di)g加速度計可以用於吉他的聲學拾音應用。

 

圖6. MEMS加速度計
，封裝尺寸為4mm × 4mm × 1.45mm。

 

聲音反饋問題

 

丹麥科學家Soren Larsen在上世紀20年代中期首次引入了全向電容式動態麥克風，是他最早發現了聲音反饋原理（稱為Larsen效應）。對聲學工程師來說
，聲音反饋一直都是一個噩夢，很少有工程師能夠完全控製它，特別是在任何演出現場都不可避免。甲殼蟲樂隊充 分感受到了這種偽聲的影響，繼而在1964年決定將其添加到他們難忘的專輯"我感覺很好"的介紹曲中。隨後Rock ''n'' Roll也開始像馴 服野獸一樣利用它，利用聲音反饋在搖滾樂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 jitakaojinyangshengqilailiyongshengyinfankui。suizhezhezhongfengchaodexiaotui，yinpingongchengshijixunulixiaochushengyinfankuisuoyinqidelingrenbushidetingjiaoxiaoguo
，tebieshizaixianchangyanchuguochengzhong。zaiwanmeishejibingjingguoteshushengxuechulideshiyinshili，liyongquanxiangmaikefengkeyiwanmeidiluzhileqisheng，jihudadaojingrendexianchangganhebaozhendu。lijiebingzhenxizheyidiandeyishujiayizhidouzaizizibujuandixunqiuruhenenggoubazhezhongxiaoguozhongxianzaiwutaishang。suiranxiwangnenggouyiyanboshiyiyangdezhilianglailuzhixianchangyanchuyizhidoushiyinlejiademengxiang，ranershijishangzhequeshibukenengde。jishizaiwutaishangcaiyongzuihaodeyinxiangshebei，wutaiyejingguolejijiadeshengxuesheji
，shengyingongchengshiyenengjingtongdiliyonggezhonghunxiangbingkeyiyongyouzuijiadeshebeihegongju
，danyaohuodelixiangdeyinxiaorengrancunzaizhenanyiyuyuedezhangai：那就是聲音反饋。

 

聲學拾音

 

通tong常chang通tong過guo采cai用yong定ding向xiang麥mai克ke風feng可ke以yi把ba聲sheng音yin反fan饋kui減jian到dao最zui小xiao。某mou種zhong程cheng度du上shang這zhe是shi可ke以yi的de
，不bu過guo需xu要yao調tiao音yin工gong程cheng師shi不bu停ting地di調tiao節jie，來lai適shi應ying舞wu台tai特te性xing的de不bu斷duan變bian化hua。

 

利用拾音器可以對樂器聲音進行放大。所采用的各種技術具有一定差異，但基本的原理都是直接感應樂器本身的振動
，而並非檢測空 中它所產生的聲波。這種做法的優點很明顯：即拾音器幾乎不會產生聲音反饋，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：包(bao)括(kuo)要(yao)在(zai)樂(le)器(qi)上(shang)找(zhao)到(dao)最(zui)佳(jia)的(de)發(fa)聲(sheng)位(wei)置(zhi)是(shi)極(ji)其(qi)困(kun)難(nan)的(de)，壓(ya)電(dian)拾(shi)音(yin)器(qi)的(de)聲(sheng)學(xue)特(te)性(xing)也(ye)遠(yuan)遠(yuan)算(suan)不(bu)上(shang)完(wan)美(mei)
，它(ta)們(men)的(de)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)為(wei)高(gao)阻(zu)，故(gu)需(xu)要(yao)特(te)殊(shu)的(de)樂(le)器(qi)輸(shu)入(ru)或(huo)直(zhi)駁(bo)盒(he)(direct boxes)。此外，體積也較大，從而會影響樂器本身的自然聲學特性。

 

yushi
，zhexiewentidaozhiledizhiliangjiechushimaikefengdegainian。jiaruwomencaiyongyigebiaomianshichuanganqilaiceliangleqibentidejiasudu
，zheyaobidanzhougengheshi。zhezhongchuanganqijuyougenghaodexianxingdu
，zhongliangqing，congerbuhuiyingxiangbeiceleqideshengyintexing。haikeyijinyibujiadingzhexiechuanganqijuyouleisideshuchudianping、輸shu出chu阻zu抗kang，以yi及ji所suo需xu功gong率lv與yu傳chuan統tong麥mai克ke風feng相xiang當dang。簡jian言yan之zhi，就jiu是shi設she想xiang能neng夠gou使shi樂le師shi將jiang該gai傳chuan感gan器qi插cha入ru到dao麥mai克ke風feng前qian置zhi放fang大da器qi或huo混hun音yin器qi輸shu入ru的de位wei置zhi，就jiu像xiang任ren何he其qi他ta麥mai克ke風feng一yi樣yang。

 

接觸式麥克風

 

我wo們men在zai前qian麵mian已yi經jing提ti到dao過guo加jia速su度du的de概gai念nian。人ren耳er響xiang應ying的de是shi聲sheng壓ya，故gu麥mai克ke風feng也ye被bei設she計ji成cheng聲sheng壓ya感gan測ce功gong能neng。為wei了le簡jian化hua討tao論lun，這zhe裏li直zhi接jie給gei出chu一yi個ge結jie論lun，即ji一yi個ge靠kao近jin振zhen動dong體ti的de聲sheng壓ya與yu加jia速su度du成cheng正zheng比bi。問wen題ti是shi加jia速su度du計ji具ju有you多duo高gao的de帶dai寬kuan方fang可ke用yong作zuo為wei接jie觸chu式shi麥mai克ke風feng？

 

為了研究清楚這個概念
，將一個3軸加速度計安裝到吉他上作為一個拾音器。對樂器的振動進行測量，並與內置的壓電拾音器以及靠 近吉他的MEMS麥克風進行比較。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 的聚酰亞胺®) 上貼裝了一個模擬輸出的MEMS加速度計，並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 的方向一致
，Y軸與吉他弦線垂直
，而Z軸則與吉他表麵垂直。把一個平坦頻率響應達到15kHz的MEMS麥克風安裝到距弦線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麥克風各自錄製了一段聲音。圖8給出了每個傳感器的時域波形，這裏沒有對任何音段進行後處理。

 

圖8. 采用不同傳感器的時域波形。

 

圖9所示為在上述時域波形的一個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
，實際的音頻文檔 中都較多地具有許多低音響應。這種聲音比較悅耳（還取決於個人偏好），因為腔體諧振能夠產生比從樂器上直接聽到的更豐富的低音。

 

圖9. 壓電拾音器的頻譜。

 

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

 

圖10(a). MEMS麥克風的頻譜。

 

圖10(b). MEMS麥克風的頻率響應。
 

MEMS加速度計的輸出非常有意思。目前其缺點包括噪聲基底過高
，在音軌的開始和末尾都能聽到，且Z軸帶寬明顯限製到較低的頻率。每個軸向上的聲音再現也顯著不同。

 

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，即可實現樂聲的較好重現
，具有一定的明晰度。通過對混音環節進行調節
，可以實現音調平衡變化
，達 到自然的樂聲重現。由於目前加速度計的帶寬限製，更大範圍的高頻諧波丟失了
，但聲音重現仍然驚人地逼真。

 

結束語

 

低g值MEMS加速度計沒有傳統的聲音反饋問題，可以作為樂器所用的高質量拾音器，具有明顯的應用潛力。上麵的實驗結果表明，貼 裝到Fender Stratacoustic吉他上的一個3軸加速度計能實現良好的樂聲重現。由於樂器本體不同方向上的振動模式不一樣
，故與之相關 的加速度計3個ge軸zhou上shang的de聲sheng音yin特te性xing也ye不bu一yi樣yang，對dui三san個ge通tong道dao輸shu出chu進jin行xing混hun音yin可ke以yi再zai現xian原yuan來lai的de音yin效xiao。此ci外wai，用yong不bu同tong的de方fang式shi對dui這zhe些xie通tong道dao的de聲sheng音yin進jin行xing混hun音yin處chu理li可ke以yi產chan生sheng富fu有you創chuang造zao性xing的de音yin效xiao。

 

在本實驗中，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，例如能夠聽得到傳感器的基底噪聲，不過可以通過利用噪 聲sheng門men控kong或huo者zhe其qi他ta技ji術shu將jiang這zhe個ge問wen題ti的de影ying響xiang降jiang到dao最zui小xiao，而er且qie理li想xiang傳chuan感gan器qi的de噪zao聲sheng基ji底di將jiang與yu傳chuan統tong麥mai克ke風feng差cha不bu多duo。傳chuan感gan器qi的de高gao頻pin響xiang應ying需xu要yao進jin行xing擴kuo展zhan，理li想xiang的de是shi能neng達da到dao20kHz

，這樣方可覆蓋樂器的整個音頻範圍。

 

MEMS加速度計技術在樂器的拾音應用方麵具有明顯的潛在優勢
，特別是那些為聲音反饋問題困擾的現場應用。一個體積非常小、低 功耗的MEMS器件可以貼裝到樂器中任何不顯眼的位置上，而且不會影響樂器的自然振動特性。實際上，可以在樂器的不同位置上貼 裝數個傳感器，為聲學工程師重現樂器的自然特質提供額外的靈活度，還無需擔心現場應用的聲音反饋，因此可以說
，距離"理想的音樂"隻差一步之遙！

 

 

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