引言
MEMS1 (微機電系統(tǒng))利用專為半導體集成電路所開發(fā)的制造工藝設施實現(xiàn)生產(chǎn)制造。微機電結構的實現(xiàn)方法是通過在半導體基片上刻蝕特定的圖形，來實現(xiàn)傳感器單元或者可以移動零點幾微米的機械執(zhí)行器。MEMS壓力傳感器是第一類批量應用的產(chǎn)品，如今用于負責監(jiān)測數(shù)以億計的發(fā)動機歧管和輪胎的壓力;而MEMS加速度計" title="加速度計">加速度計則用于安全氣囊、翻滾檢測以及汽車報警系統(tǒng)，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(zhí)行器用于投影儀、HDTV以及數(shù)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(shù)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(zhì)量塊上，該彈簧能夠根據(jù)所施加的加速度產(chǎn)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(shù)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。傳感器可以實現(xiàn)從零點幾個g到數(shù)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(diào)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(diào)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。
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并非新概念。6 壓電和電磁傳感器是當今許多聲學拾音應用的基礎。由于微型的MEMS加速度計體積和質(zhì)量都很小，不會對樂器產(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。
加速度計技術方面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(chǎn)。采用5mm×5mm×2mm封裝的 ADXL0017(圖5)高g(±70g到±500g)單軸加速度計的帶寬已高達22kHz，是監(jiān)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(yè)設備的“健康”狀況。在軸承磨損的早期階段，利用一個貼附在系統(tǒng)基座上的高g振動傳感器，就可以檢測到一個位于音頻范圍內(nèi)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，而它卻只能感應單軸運動。然而目前已經(jīng)證明，采用MEMS技術已經(jīng)能夠實現(xiàn)全音頻帶寬內(nèi)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，但帶寬一般被限制在5kHz左右。實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或者重力引起的加速檢測)，故缺乏開發(fā)特別適用于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。 ADXL3308 3軸低g加速度計具有比傳統(tǒng)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(tǒng)加速度計技術來說簡直是不可思議的地方。其體積非常小，不會引起被測系統(tǒng)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9中期首次引入了全向電容式動態(tài)麥克風，是他最早發(fā)現(xiàn)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制它，特別是在任何演出現(xiàn)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196410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。隨后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，則故意地把吉他靠近揚聲器來利用聲音反饋。隨著這種風潮的消退，音頻工程師繼續(xù)努力消除聲音反饋所引起的令人不適的聽覺效果，特別是在現(xiàn)場演出過程中。在完美設計并經(jīng)過特殊聲學處理的試音室里，利用全向麥克風可以完美地錄制樂器聲，幾乎達到驚人的現(xiàn)場感和保真度。理解并珍惜這一點的藝術家一直都在孜孜不倦地尋求如何能夠把這種效果重現(xiàn)在舞臺上。雖然希望能夠以演播室一樣的質(zhì)量來錄制現(xiàn)場演出一直都是音樂家的夢想，然而實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)過了極佳的聲學設計，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難以逾越的障礙：那就是聲音反饋。
聲學拾音
通常通過采用定向麥克風可以把聲音反饋減到最小。某種程度上這是可以的，不過需要調(diào)音工程師不停地調(diào)節(jié)，來適應舞臺特性的不斷變化。
利用拾音器" title="拾音器">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，而并非檢測空中它所產(chǎn)生的聲波。這種做法的優(yōu)點很明顯：即拾音器幾乎不會產(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：包括要在樂器上找到最佳的發(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，故需要特殊的樂器輸入或直駁盒(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。
于是，這些問題導致了低質(zhì)量接觸式麥克風的概念。假如我們采用一個表面式傳感器來測量樂器本體的加速度，這要比單軸更合適。11這種傳感器具有更好的線性度，重量輕，從而不會影響被測樂器的聲音特性。還可以進一步假定這些傳感器具有類似的輸出電平、輸出阻抗，以及所需功率與傳統(tǒng)麥克風相當。簡言之，就是設想能夠使樂師將該傳感器插入到麥克風前置放大器或混音" title="混音">混音器輸入的位置，12就像任何其他麥克風一樣。
接觸式麥克風
我們在前面已經(jīng)提到過加速度的概念。人耳響應的是聲壓，故麥克風也被設計成聲壓感測功能。為了簡化討論，這里直接給出一個結論，即一個靠近振動體的聲壓與加速度成正比。問題是加速度計具有多高的帶寬方可用作為接觸式麥克風?
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，并與內(nèi)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(nèi)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，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軸與吉他弦線的方向一致，Y軸與吉他弦線垂直，而Z軸則與吉他表面垂直。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(nèi)置的壓電拾音器和MEMS麥克風各自錄制了一段聲音。圖8給出了每個傳感器的時域波形，這里沒有對任何音段進行后處理。
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(還取決于個人偏好)，因為腔體諧振能夠產(chǎn)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(xiàn)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軸帶寬明顯限制到較低的頻率。每個軸向上的聲音再現(xiàn)也顯著不同。
X軸和Y軸上的聲音明快而清晰，聲調(diào)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(xiàn)樂聲的較好重現(xiàn)，具有一定的明晰度。通過對混音環(huán)節(jié)進行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)音調(diào)平衡變化，達到自然的樂聲重現(xiàn)。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(xiàn)仍然驚人地逼真。
結束語
低g值MEMS加速度計沒有傳統(tǒng)的聲音反饋問題，可以作為樂器所用的高質(zhì)量拾音器，具有明顯的應用潛力。上面的實驗結果表明，貼裝到Fender Stratacoustic吉他上的一個3軸加速度計能實現(xiàn)良好的樂聲重現(xiàn)。由于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個軸上的聲音特性也不一樣，對三個通道輸出進行混音可以再現(xiàn)原來的音效。此外，用不同的方式對這些通道的聲音進行混音處理可以產(chǎn)生富有創(chuàng)造性的音效。
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門控或者其他技術將這個問題的影響降到最小，而且理想傳感器的噪聲基底將與傳統(tǒng)麥克風差不多。傳感器的高頻響應需要進行擴展，理想的是能達到20kHz，這樣方可覆蓋樂器的整個音頻范圍。
MEMS加速度計技術在樂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題困擾的現(xiàn)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(shù)個傳感器，為聲學工程師重現(xiàn)樂器的自然特質(zhì)提供額外的靈活度，還無需擔心現(xiàn)場應用的聲音反饋，因此可以說，距離“理想的音樂”只差一步之遙!