引言
MEMS1 (微機(jī)電系統(tǒng))利用專(zhuān)為半導(dǎo)體集成電路所開(kāi)發(fā)的制造工藝設(shè)施實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造。微機(jī)電結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)在半導(dǎo)體基片上刻蝕特定的圖形，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器單元或者可以移動(dòng)零點(diǎn)幾微米的機(jī)械執(zhí)行器。MEMS壓力傳感器是第一類(lèi)批量應(yīng)用的產(chǎn)品，如今用于負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)以?xún)|計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)歧管和輪胎的壓力;而MEMS加速度計(jì)" title="加速度計(jì)">加速度計(jì)則用于安全氣囊、翻滾檢測(cè)以及汽車(chē)報(bào)警系統(tǒng)，時(shí)間也已超過(guò)15年之久。
MEMS 加速度計(jì)2 還用于消費(fèi)電子領(lǐng)域里的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)，如視頻游戲與手機(jī)。MEMS微鏡光學(xué)執(zhí)行器用于投影儀、HDTV以及數(shù)字影院。近幾年，MEMS麥克風(fēng)3也開(kāi)始進(jìn)入廣闊的消費(fèi)市場(chǎng)，包括手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)以及數(shù)碼相機(jī)等。
本文將討論MEMS加速度計(jì)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(yīng)用。
MEMS加速度計(jì)技術(shù)
典型的MEMS加速度計(jì)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(jié)構(gòu)：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(jù)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)?xùn)艞l之間的電容。4
圖1：MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。
圖2：ADXL50 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。
這些MEMS結(jié)構(gòu)的尺寸為微米量級(jí)(圖2)，故需要精度極高的半導(dǎo)體光刻和蝕刻工藝技術(shù)。MEMS結(jié)構(gòu)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(jī)械特性差異很大的結(jié)構(gòu)。其中一個(gè)可以控制和可改變的機(jī)械參數(shù)是彈簧剛度。設(shè)計(jì)中還可以改變傳感單元的質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)阻尼。傳感器可以實(shí)現(xiàn)從零點(diǎn)幾個(gè)g到數(shù)百個(gè)g加速度的感應(yīng)，其帶寬高達(dá)20kHz。
圖3：ADXL202 ±2 g加速度計(jì)。
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(hào)調(diào)理電路。對(duì)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(dāng)于10-18F的測(cè)量分辨率! 而在雙芯片架構(gòu)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(jì)的截面圖。
作為振動(dòng)測(cè)量傳感器的加速度計(jì)
在樂(lè)器中利用振動(dòng)感應(yīng)傳感器進(jìn)行拾音的概念也并非新概念。6 壓電和電磁傳感器是當(dāng)今許多聲學(xué)拾音應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于微型的MEMS加速度計(jì)體積和質(zhì)量都很小，不會(huì)對(duì)樂(lè)器產(chǎn)生機(jī)械或質(zhì)量載荷方面的影響，從而在這些應(yīng)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(yīng)用還比較有限。
加速度計(jì)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(jì)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(jì)的帶寬已高達(dá)22kHz，是監(jiān)測(cè)振動(dòng)的理想選擇，可以通過(guò)檢測(cè)設(shè)備聲學(xué)特性的變化來(lái)確定電機(jī)或其他工業(yè)設(shè)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(tǒng)基座上的高g振動(dòng)傳感器，就可以檢測(cè)到一個(gè)位于音頻范圍內(nèi)的清晰振動(dòng)信號(hào)。這種用來(lái)測(cè)量高達(dá)10g量級(jí)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(cè)量所有3個(gè)軸向上的響應(yīng)，而它卻只能感應(yīng)單軸運(yùn)動(dòng)。然而目前已經(jīng)證明，采用MEMS技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全音頻帶寬內(nèi)的加速度傳感器。
圖5：ADXL001的頻率響應(yīng)曲線。
低g加速度計(jì)可以測(cè)量低至千分之一g級(jí)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(yīng)用太少(主要的應(yīng)用包括人的運(yùn)動(dòng)或者重力引起的加速檢測(cè))，故缺乏開(kāi)發(fā)特別適用于音頻頻段測(cè)量的傳感器的動(dòng)力。
一個(gè)3軸加速度計(jì)有3個(gè)獨(dú)立的輸出，分別測(cè)量笛卡兒坐標(biāo)中X、Y、Z軸上的加速度。 ADXL3308 3軸低g加速度計(jì)具有比傳統(tǒng)的低g加速度計(jì)更寬的有效帶寬，其帶寬在X和Y軸上高達(dá)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(hào)，故很容易用于標(biāo)準(zhǔn)的錄音設(shè)備。該器件采用標(biāo)準(zhǔn)的表貼封裝，充分利用了成熟的半導(dǎo)體工藝制造設(shè)備。其封裝尺寸為4mm×4mm×1.45mm(圖6)，可以適用于對(duì)于傳統(tǒng)加速度計(jì)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(cè)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(jì)可以用于吉他的聲學(xué)拾音應(yīng)用。
圖6：MEMS加速度計(jì)，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(jì)20年代9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(xiàn)了聲音反饋原理(稱(chēng)為L(zhǎng)arsen效應(yīng))。對(duì)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(xiàn)場(chǎng)都不可避免。甲殼蟲(chóng)樂(lè)隊(duì)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(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(yáng)聲器來(lái)利用聲音反饋。隨著這種風(fēng)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(tīng)覺(jué)效果，特別是在現(xiàn)場(chǎng)演出過(guò)程中。在完美設(shè)計(jì)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(dá)到驚人的現(xiàn)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(xiàn)在舞臺(tái)上。雖然希望能夠以演播室一樣的質(zhì)量來(lái)錄制現(xiàn)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(tái)上采用最好的音響設(shè)備，舞臺(tái)也經(jīng)過(guò)了極佳的聲學(xué)設(shè)計(jì)，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(shè)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(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(diào)音工程師不停地調(diào)節(jié)，來(lái)適應(yīng)舞臺(tái)特性的不斷變化。
利用拾音器" title="拾音器">拾音器可以對(duì)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(yīng)樂(lè)器本身的振動(dòng)，而并非檢測(cè)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(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)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(cè)量樂(lè)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(huì)影響被測(cè)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(tǒng)麥克風(fēng)相當(dāng)。簡(jiǎn)言之，就是設(shè)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" title="混音">混音器輸入的位置，12就像任何其他麥克風(fēng)一樣。
接觸式麥克風(fēng)
我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)提到過(guò)加速度的概念。人耳響應(yīng)的是聲壓，故麥克風(fēng)也被設(shè)計(jì)成聲壓感測(cè)功能。為了簡(jiǎn)化討論，這里直接給出一個(gè)結(jié)論，即一個(gè)靠近振動(dòng)體的聲壓與加速度成正比。問(wèn)題是加速度計(jì)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(jì)安裝到吉他上作為一個(gè)拾音器。對(duì)樂(lè)器的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并與內(nèi)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(nèi)置的Fender拾音器。在重量很輕的柔性電路(具有刻蝕導(dǎo)線的聚酰亞胺)上貼裝了一個(gè)模擬輸出的MEMS加速度計(jì)，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(jì)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(gè)平坦頻率響應(yīng)達(dá)到15kHz的MEMS麥克風(fēng)安裝到距弦線3英寸遠(yuǎn)的位置作為參考。
圖7：安裝到Fender Stratacoustic吉它上的加速度計(jì)。
利用該加速度計(jì)、內(nèi)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(duì)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(cè)得的壓電拾音器的FFT頻譜。結(jié)果顯示響應(yīng)中具有較強(qiáng)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(yīng)。這種聲音比較悅耳(還取決于個(gè)人偏好)，因?yàn)榍惑w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(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(shí)間點(diǎn)上測(cè)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(yīng)。
圖10(a)：MEMS麥克風(fēng)的頻譜。
圖10(b)：MEMS麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)。
MEMS加速度計(jì)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(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(yù)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(xiàn)樂(lè)聲的較好重現(xiàn)，具有一定的明晰度。通過(guò)對(duì)混音環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)音調(diào)平衡變化，達(dá)到自然的樂(lè)聲重現(xiàn)。由于目前加速度計(jì)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(jié)束語(yǔ)
低g值MEMS加速度計(jì)沒(méi)有傳統(tǒng)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(yīng)用潛力。上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，貼裝到Fender Stratacoustic吉他上的一個(gè)3軸加速度計(jì)能實(shí)現(xiàn)良好的樂(lè)聲重現(xiàn)。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(jì)3個(gè)軸上的聲音特性也不一樣，對(duì)三個(gè)通道輸出進(jìn)行混音可以再現(xiàn)原來(lái)的音效。此外，用不同的方式對(duì)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(yàn)中，雖然從加速度計(jì)的性能看應(yīng)用前景不錯(cuò)，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(tǒng)麥克風(fēng)差不多。傳感器的高頻響應(yīng)需要進(jìn)行擴(kuò)展，理想的是能達(dá)到20kHz，這樣方可覆蓋樂(lè)器的整個(gè)音頻范圍。
MEMS加速度計(jì)技術(shù)在樂(lè)器的拾音應(yīng)用方面具有明顯的潛在優(yōu)勢(shì)，特別是那些為聲音反饋問(wèn)題困擾的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(shù)個(gè)傳感器，為聲學(xué)工程師重現(xiàn)樂(lè)器的自然特質(zhì)提供額外的靈活度，還無(wú)需擔(dān)心現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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!