什么是MEMS？

　　微機電系統（MEMS），在歐洲也被稱為微系統技術，或在日本被稱為微機械，是一類器件，其特點是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS器件的特征長度從1毫米到1微米——1微米可是要比人們頭發的直徑小很多。

　　MEMS往往會采用常見的機械零件和工具所對應微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術。

　　今天很多產品都利用了MEMS技術，如微換熱器、噴墨打印頭、高清投影儀的微鏡陣列、壓力傳感器以及紅外探測器等。

　　我們為何需要MEMS？

　 　“他們告訴我一種小手指指甲大小的電動機。他們告訴我，目前市場上有一種裝置，通過它你可以在大頭針頭上寫禱文。但這也沒什么；這是最原始的，只是我打 算討論方向上的暫停的一小步。在其下是一個驚人的小世界。公元2000年，當他們回顧當前階段時，他們會想知道為何直到1960年，才有人開始認真地朝這 個方向努力。”——理查德·費曼，《底部仍然存在充足的空間》發表于1959年12月29日于加州理工大學（Caltech）舉辦的美國物理學會年會。

　　在這個經典的帶預言性質的演講《底部仍然存在充足的空間》中，理查德·費曼繼續描述我們如何在針尖上寫出大英百科全書的每一卷。但我們可能會問：為什么要在這樣一個微小尺上生成這些對象？

　 ?。ň幷咦ⅲ豪聿榈隆べM曼（1918年5月11日－1988年2月15日），費曼是十九世紀末，俄羅斯和波蘭猶太人移民到美國的后裔。美國物理學家。 1965年諾貝爾物理獎得主。提出了費曼圖、費曼規則和重正化的計算方法，是研究量子電動力學和粒子物理學不可缺少的工具。費曼被認為是愛因斯坦之后最睿 智的理論物理學家，也是第一位提出納米概念的人）

　 　MEMS器件可以完成許多宏觀器件同樣的任務，同時還有很多獨特的優勢。這其中第一個以及最明顯的一個優勢就是小型化。如前所述，MEMS規模的器件， 小到可以使用與目前集成電路類似的批量生產工藝制造。如同集成電路產業一樣，批量制造能顯著降低大規模生產的成本。在一般情況下，微機電系統也需要非常量 小的材料以進行生產，可進一步降低成本。

　　除了價格更便宜，MEMS器件也比它們更大等價物的應用范圍更廣。在智能手機、相機、氣囊控制單元或類似的小型設備中，竭盡所能也設計不出金屬球和彈簧加速度計；但通過減小了幾個數量級，MEMS器件可以用在容不下傳統傳感器的應用中。

　 　易于集成是MEMS技術的另一個優點。因為它們采用與ASIC制造相似的制造流程，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。將MEMS與CMOS結構集 成在一個真正的一體化器件中雖然挑戰性很大，但并非不可能，而且在逐步實現。與此同時，許多制造商已經采用了混合方法來創造成功商用并具備成本效益的 MEMS 產品。

　 　德州儀器的數字微鏡器件（DMD）就是其中一個案例。DMD是TI DLP? 技術的核心，它廣泛應用于商用或教學用投影機單元以及數字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲單元之間的電勢進行靜電致動?；叶葓D像是由脈沖寬度調制的反射鏡的開啟和關閉狀態之間產生的。顏色通過使用三芯片方案（每一基色對應一個芯片），或通過一個單芯片以及一個色環或RGB LED光源來加入。采用后者技術的設計通過色環的旋轉與DLP芯片同步，以連續快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個完整光譜的圖像。

　　或許MEMS技術的一個最有趣特性是設計師得以展示在如此小規模的物理域中發掘物理獨特性的能力——這一主題隨后將再次談及。

　　MEMS現狀

　 　基于各種原因，許多MEMS產品在商業上取得了巨大成功，其中許多器件已經獲得廣泛應用。汽車工業是MEMS技術的主要驅動力之一。例如MEMS振動結 構陀螺儀，是一款新的相當便宜的設備，目前用于汽車防滑或電子穩定控制系統中。村田電子的SCX系列MEMS加速度計、陀螺儀和傾斜儀，以及將這些功能集 成在一個單芯片中可助力特定的汽車應用---因為它們的精度要求可能會非常高?；贛EMS的氣囊傳感器自上世紀90年代起在幾乎所有汽車中已經普遍取代 了機械式碰撞傳感器。圖2顯示了一個簡化的MEMS加速度計示例，同碰撞傳感器中使用的類似。一個帶有一定質量塊的懸臂梁連接到一個或多個固定點以作為彈 簧。當傳感器沿梁的軸線加速時，該梁會移動一段距離，這段距離可以通過梁的“牙齒”與外部固定導體之間的電容變化來測量。

　 　許多商用和工業用噴墨打印機使用基于MEMS技術的打印機噴頭，保持這些墨滴并在需要時精確地放下這些墨滴——這一技術被稱為按需投放（DoD）。墨滴 放置在橫跨壓電材料（比如 lead zirconatetitanate，）組成的元件中，通過施加的電壓來進行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過施力形成一個非常小量（相對壓縮）的 墨水，并從噴嘴中噴出。

　 　與此同時，其它一些MEMS技術才剛開始大規模進入市場。微機械繼電器（MMR），比如歐姆龍開發的，這種繼電器更快，更高效，其集成度前所未有。歐姆 龍發揮了自己的微機電系統專業優勢，為市場帶來新款溫度傳感器：D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過程中集成了ASIC和熱電堆元 件，所以這種小型化的非接觸式溫度傳感器大小僅為18×14×8.8毫米（4x4元件類型）。

　 　當然，當前的MEMS技術不限于單個傳感器器件，考慮一下人的感官：單只眼帶給我們顏色、運動和（一些）位置信息，而兩只眼睛將帶來雙眼視覺，改善立體 感知。事實上，我們的許多感知體驗需要感官的組合，這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是，通過將傳感數據組合起來，可以彌補單個感官器官的弱點和缺 點，并達到某種程度上最佳的環境理解。在人類領域，這就是所謂的“多通道整合”;而在電子領域，這就是所謂的傳感器融合。傳感器融合，特別是當它涉及到 MEMS時，是移動設備中傳感器技術的一個重要的進展。許多制造商已經開始提供完整的解決方案，如飛思卡爾面向Win8的12軸Xtrinsic傳感器平 臺。該平臺集成了3軸加速度計，3軸磁力計，壓力傳感器，3軸陀螺儀，環境光傳感器，并帶有一個ColdFire + MCU，以提供一個完全硬件解決方案——還打包提供專用的傳感器融合軟件。

　　隨著MEMS器件的優勢獲得認可，MEMS市場步伐也在持續加快。據YoleDéveloppement2012年MEMS產業報告中所述，在接下來6年，MEMS“將繼續保持平穩、持續的兩位數增長”，2017年全球市場價值將達到210億美元。

基于閉環MEMS的電容式慣性傳感器設計

　　微機械式慣性傳感器已經成為許多消費產品的一個組成部分，比如手持式移動終端、照相機和游戲控制器等。此外，微機械式慣性傳感器還被廣泛用于工 業、汽車安全和穩定控制以及導航領域中的振動監測。一般來說，微型傳感器可以是壓電式、壓阻式或電容式傳感器。然而，電容式傳感的高熱穩定性和高靈敏度使 得它對種類廣泛的應用來說更具吸引力。

　　帶數字讀取功能的基本的電容式傳感器接口電路由電容到電壓轉換器（C/V），以及隨后的 模數轉換器（A/D）和信號調節電路組成。以開環配置（沒有反饋信號）運行這種傳感器可以形成相對簡單的系統，這種系統本身就比較穩定。盡管如此，開環工 作時的系統對MEMS參數會非常敏感。此外，整個系統的線性度受傳感器系統鏈中每個模塊的線性度影響，而且C/V和A/D的動態范圍要求可能會更加嚴格。 相反，將MEMS傳感器放在負反饋閉環中使用有許多好處，例如改進的帶寬、對MEMS器件的工藝和溫度變化具有較低的敏感性。另外，由于C/V只需要處理 誤差信號，與開環工作方式相比，C/V動態范圍和線性指標可以放寬。因此為確保系統的穩定性，正確設計反饋環路就顯得非常重要。

　　在電容式傳感器中，反饋信號以電容激勵電極上的電壓信號形式施加到MEMS。這個施加的電壓將產生一個靜電力并作用到MEMS質量塊上。因此最終形成的系統被稱為力反饋系統。然而，電容有一個二次的電壓比力關系，它會限制系統的線性度。

　 　克服電壓比力（V/F）二次關系負擔的一種方法是以差分方式施加激勵信號，以便抵消二次項。然而，這種技術要求正負電壓值，這將增加傳感器接口ASIC 的復雜性。更重要的是，差分工作所需的兩個激勵電容如果不匹配會導致激勵二次項不能完全抵消，因此電容不匹配將限制系統可實現的性能。

　　 實現閉環工作的另外一種方法使用兩級bang-bang反饋信號。由于只用到兩個點的二次V/F關系，這種方法天生就是線性的，而且并不依賴MEMS電容 的匹配或使用負電壓去抵消非線性。使用兩級激勵意味著將反饋信號幅度中的信息轉換為時間信息。因此Σ-Δ調制可以成為實現閉環數字讀取傳感器的一種有效技 術。另外，基于Σ-Δ的環路默認提供模數轉換功能，因此不需要再使用單獨的A/D。Σ-Δ閉環架構代表了高性能數字讀取傳感器的最優架構。值得注意的 是，Σ-Δ系統的超采樣特性會使操作系統工作在相對較高的頻率，因此系統變得較易受MEMS寄生電容耦合的影響。盡管如此，抵消這種耦合的電路技術已經非 常成熟，并且可以在傳感器的接口ASIC中實現。Σ-Δ閉環傳感器的架構選擇需要依據為電子Σ-Δ系統開發的深層技術。然而，具有自然電子－機械特性的 Σ-Δ閉環傳感器在系統級設計與優化時需要正確理解MEMS的工作原理和建模機制。典型MEMS傳感器的檢測部分行為就像是一個二階集總式質量塊（阻尼 器）彈簧機械系統，具有單一的諧振頻率，其傳遞函數如下：

　　其中Fin（s）是輸入的力（在使用陀螺儀時是科里奧利力，在使用加速度計時是由于輸入加速產生的力）。x（s）是傳感器質量塊對應輸入力的位移。m是質量塊的質量，D是阻尼系數，k是彈簧常數（剛度）。

　 　MEMS傳感器的工作原理基于這樣一個事實：給MEMS施加一個輸入力（Fin）將產生一定的位移，進而改變MEMS電容（Cout）。這個Cout可 以用連接MEMS單元的電路進行測量。帶激勵電極的MEMS傳感器建模如圖1所示。這個模型的增益是Kx/c，代表由于MEMS質量塊位移引起的輸出電容 變化。Kx/c等于：

　　其中Cd是MEMS的檢測電容，X0是電容間隙距離。系數2代表差分工作。這個模型還包含一個KV/F因子，它是由于反饋電壓VACT產生的力：

　　其中VACT是激勵電壓，Ca是MEMS的激勵電容。吸合（拉入）是電容式MEMS傳感器的一個重要現象，此時電容極板由于施加的大電壓而吸合在一起，從而導致工作故障。防止吸合的最大靜態電壓等于：

　　其中C0是電容的剩余容量。上述Vp表達式只是用于展示Vp的相關性。

　　圖1：MEMS慣性傳感器傳感部分模型

　　但是在像Σ-Δ環路中那樣的動態電壓激勵情況下，上述表達式不能精確地表示Vp的實際值。在基于Σ-Δ的傳感器中，MEMS用作環路濾波器，會形成一個二階電子-機械式Σ-Δ系統。

　　將MEMS引入Σ-Δ環路可以提高階數，并進一步抑制量化噪聲。圖2顯示了基于Σ-Δ的傳感器框圖，其中的MEMS與特殊應用集成電路（ASIC）連接在一起組成了一個完整的傳感器。這個系統還集成了一個額外的Hcomp塊，用于補償環路并保持其穩定性。

　　圖2： 基于Σ-Δ的閉環傳感器框圖

　 　這種閉環傳感器的系統級設計將確定各個MEMS和ASIC參數的最優值，比如剛度（k）、間隙距離（X0）、阻尼系數（D）、激勵電壓（VACT）和 ASIC噪聲。為了確保Σ-Δ環路的穩定工作，傳感器的輸入信號不能超過反饋信號。因此激勵電壓值VACT定義了給定MEMS參數集條件下允許的最大輸入 信號。然而，為了允許大的輸入信號范圍而產生大的VACT會導致功耗加大，而且有時要求采用特殊的ASIC技術才能允許高壓工作。ASIC技術的選擇將影 響到傳感器的總體成本。更重要的是，VACT允許的最大值受MEMS吸合電壓Vp的限制。

　　MEMS間隙距離（X0）是系統能否實現低噪 聲工作的一個關鍵參數。減小X0會產生更高的Cd和Kx/c，并因此增加MEMS前向增益（靈敏度）。高靈敏度可以減少ASIC噪聲對以傳感器輸入為參考 的噪聲的影響。另一方面，MEMS的布朗噪聲功率直接正比于阻尼系數（D）。總的傳感器噪聲由MEMS噪聲和 ASIC噪聲組成?？梢愿鶕鞲衅骺傮w目標性能、MEMS靈敏度和阻尼系數估計最大可容忍的ASIC噪聲值。應該注意的是，可以達到的最小X0受MEMS 技術的限制。X0值對最大輸入范圍的影響，取決于激勵電壓（VACT）是否受限于MEMS的吸合電壓。如果VACT受吸合電壓的限制，那么減小X0將導致 允許的最大輸入信號范圍減小。如果VACT不受吸合電壓的限制，那么X0的減小和激勵電容（Ca）及KV/F的改進可形成更高的反饋力，最終形成更大的輸 入范圍。

　　MEMS單元的剛度（k）是一個重要的系統設計參數，因為它可以在MEMS單元中得到很好的控制，不像X0，其最小值受 MEMS技術的限制。假設ASIC 噪聲主導傳感器噪聲，那么可實現的最大動態范圍（VACT設為吸合之前的最大允許值）將獨立于一階k值。這是因為增加k不僅會降低MEMS靈敏度，增加以 傳感器輸入為參考的ASIC噪聲，而且也會使反饋力增加同樣的數量，因為這種方法允許在更高的VACT時工作。在MEMS噪聲主導傳感器性能的情況下，應 增加k值，以便支持更大的動態范圍。而在工作不受吸合限制的情況下，最好是減小k值，從而提高MEMS靈敏度，減小ASIC噪聲對傳感器噪聲的影響。需要 注意的是，k值會改變MEMS單元的諧振頻率。在開環傳感器中，諧振頻率設定了傳感器帶寬的上限，而對閉環系統來說不是這樣。因此k值可以根據動態范圍和 噪聲要求進行設置。

　　傳感器性能對MEMS和ASIC參數的高度依賴性表明，閉環傳感器的系統級設計需要做大量的折衷考慮，其中的 ASIC噪聲預算、激勵電壓、功耗和技術都高度依賴于MEMS參數。因此為了實現最優的傳感器，強烈推薦基于傳感器總體目標規格的ASIC與MEMS協同 設計方法，而不是針對已經設計好的MEM再進行ASIC設計。

　　關于作者

　　Ayman Ismail是位于埃及開羅的Si-Ware系統公司ASIC解決方案事業部首席工程師，可以通過電子郵件地址 ayman.ismail@si-ware.com與他取得聯系。（end）

基于MEMS慣性傳感器的加速度測量無線傳輸系統設計

　　微電子與微機械（MEMS）技術的發展，使現代傳感器設計向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向發展。MEMS技術突破了傳統傳感器設計受質 量、體積、功耗等技術瓶頸的束縛，在各測量領域有著非常廣泛的應用。而隨著無線技術的發展，傳感器技術與無線技術結合得越來越緊密，利用無線技術開發信號 采集無線傳輸模塊可以克服有線傳輸的弊端。

　　本文結合三軸線性MEMS慣性傳感器LIS331DL和單片無線收發器nRF905 構建加速度測量無線傳輸系統，避免因采用傳輸導線所帶來的不利影響和使用上的不方便。該系統的特點是集電源、加速度傳感器、微控器、射頻收發器于一體，體 積小、功耗低，能夠實現對運動物體三維方向上加速度的測量。所設計的系統裝置可以非常方便地固定于運動物體上，尤其適合近距復雜環境中對運動物體加速度的 測量。

　　1 系統組成和工作原理

　　系統總體構成如圖1所示。系統分為主、從機兩部分。從機負責測量運動物體的加速度并通過射頻傳輸方式發射測量數據；主機負責接收從機發射的數據，對數據進行實時顯示，并將數據結果通過RS 232串口保存到PC機中以供分析。

　　系統采用電池供電，在非工作模式下處于待機模式，通過控制按鍵實現工作模式和待機模式的切換以進一步節省功耗，保證電池長時間工作。

　　2 硬件設計

　　硬件設計主要包括傳感器與微控器外圍連接電路設計、射頻收發器與微控器外圍連接電路設計等。

　　2．1 微控制器

　　經對比選用高速C8051F310單片機作為系統的微控器。C8051F310是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，具有片內上電復位、VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的真正獨立工作的片上系統，片內外設豐富。

　　2．2 LIS331DL傳感器電路設計

　　LIS331DL是ST納米運動傳感器家族中具有最小封裝（LGA16封裝，3 mm×3 mm×1 mm）、最低功耗（小于1 mW）的三軸線性加速度傳感器。

　 　邏輯框圖如圖2所示。LIS331DL內部有按互相垂直關系放置的三個敏感質量塊。當有外界加速度作用時，敏感質量塊會偏離其平衡位置一段位移，外界加 速度越大位移就越大。由于敏感質量塊位于兩個電極組成的電容之間，質量塊位移的變化會引起電容電極兩端電荷量的變化，電荷量的變化經電容／電壓變換器轉化 為電壓的變化，A／D轉換器將模擬電壓值轉換為二進制數字值，從I2C／SPI串行接口的三個輸出軸以二進制補碼的形式輸出。該芯片能夠測量運動物體在三 維空間的線加速度，三個輸出軸上加速度的矢量和即為運動物體的加速度。

　　該芯片具有標準的I2C／SPI串行總線接口，內置嵌入式功能， 為用戶提供動態可編程設置的兩個量程±2g／±8g以適應不同的應用場合，數據輸出速率可編程選擇為100 Hz／400 Hz以適應不同外設的速率要求。當外界加速度值超過三個輸出軸中至少一個軸的可編程加速度閾值時，芯片可被配置用以產生慣性喚醒／自由落體中斷信號。 LIS331DL能夠承受10 000g的加速度沖擊而依然保持性能不變。

　 　LIS331DL與C8051F310的電路連接如圖3所示。C8051F310內部有一個標準的SPI串行接口，通過交叉開關將 C8051F310（主機）的四線制SPI外部引腳配置在P0．0（總線時鐘SCK）、P0．1（主人從出MISO）、P0．2（主出從入）和 P0．3（從機SPI片選CS）這四個引腳上，LIS331DL作為SPI總線的從機，主機和從機通過SPI總線進行數據傳輸，總線時鐘由主機決定。從機 的兩個中斷標志輸出引腳接到主機的 P0．6和P0．7，主機內的交叉開關將兩個外部中斷標志輸入引腳配置在P0．6和P0．7，它們連接到從機的兩個中斷標志輸出9號和11號引腳，這樣可 以進行LIS331DL功能的擴展（自由落體中斷檢測，內部喚醒等）。

　　2．3 nRF905單片機無線收發器電路設計

　 　本測量系統中采用nRF905射頻芯片作為射頻收發器。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術。ShockBurst技術使nRF905能夠提供高速的數據傳輸而無需昂貴的高速MCU來進行數據處理／時鐘覆蓋。通過將與 RF協議有關的高速信號處理放到芯片內，nRF905提供給微控器一個SPI接口，速率由微控器設定的接口速率決定。nRF905通過 ShockBurst工作模式在RF以最大速率進行連接時降低數字應用部分的速率來降低在應用中的平均電流消耗。

　 　nRF905與C8051F310的電路連接如圖4所示。C8051F310的SPI同步串行口已作為與LIS331DL的通信接口，為充分利用 C8051F310的引腳資源，取C8051F310的P1．0，P1．1，P1．2和P1．3四個IO口組成一個模擬SPI串口與nRF905的 SPI口相連接，數據采用單字節逐次移位的方式進行傳輸。

　　C8051F31O作為SPI主機，nRF905作為從機。主機在P1．0引 腳提供主機模擬SPI時鐘，P1．1引腳作為主機模擬MISO 線，P1．2引腳作為主機模擬MOSI線，P1．3引腳作為從機SPI片選線。主機通過此模擬SPI串行口在配置模式下對從機相關寄存器進行配置；在RF 發射和接受模式下進行發射數據的傳送和接收數據的讀取。nRF905的工作狀態接口由CD，AM和DR組成；工作模式控制引腳由PWR，TRX和TX組 成，C8051F310通過P1．4，P1．5和P1．6來設置nRF905的工作模式，具體模式設置如表1所示。

　 　進入ShockBurst RX模式650μs后，nRF905不斷檢測，等待接收數據。當檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳CD被置高，當接收到一個相匹配的地址，地址檢測引 腳AM被置高，當一個正確的數據包接收完畢，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后將DR引腳置高，通知MCU讀取數據，數據讀取完畢DR 引腳置低。

　　當有數據要發送時，MCU按時序將接收機的地址和要發送的數據傳送給nRF905，SPI接口速率在通信協議和器件配置時 確定。進入Shock Burst TX模式650us后，射頻寄存器自動開啟，進行數據打包（加字頭和CRC校驗碼），發射數據包。當數據發射完成，DR引腳置高通知MCU數據已成功發 送。

　　3 軟件設計

　　軟件采用結構化程序設計方法，由主程序和各任務子程序組成。系統上電后，C8051F310完成對自身、LIS331DL傳感器和射頻收發器nRF905的初始化設，根據鍵值電平高低來決定是否進入工作狀態。

　 　在從機進入工作狀態后，C8051F310通過SPI同步串行口讀取LIS331DL傳感器X，Y和Z軸寄存器的值，根據三個數值求出加速度值，然后將 該數值連同主機地址一起通過模擬SPI口傳給nRF905，由其自動完成數據的發送；主機進入工作狀態后不斷檢測有效載波，當攜帶有效數據的載波出現 后，nRF905自動完成去除數據包中的地址、CRC校驗位和加速度數據的提取操作，此操作完成后通知C8051F310讀取數據直至數據讀取完 畢，C8051F310將數據先在LCD1602液晶顯示器中進行顯示，然后通過RS232將數據保存到PC機，系統程序流程如圖5所示。

　　4 系統調試

　 　在旋轉試驗臺上進行系統的測試。試驗方案為：從機固定在距旋轉臺中心一定距離處，通過調整轉臺的轉速來獲得不同的法向加速度，從機對法向加速度進行測 量，測量結果以射頻方式傳給主機進行顯示和保存。該系統在試驗中運行可靠，測量結果準確性高，由于采用數字式射頻傳輸方式使數據傳輸誤碼率極低。

　　5 結論

　　采用無線數字傳輸方式避免了傳輸導線的內阻和雜散分布電容、環境溫度、電磁干擾等影響，尤其適合于復雜環境下運動物體加速度的測量，這一特點是有線傳輸方式所無法比擬的。

基于硅MEMS技術的麥克風簡化音頻設計

　　傳統駐極體電容器麥克風（ECM）作為一種機電元件一直以來都用于數以十億計的手機、筆記本電腦等便攜式電子設備中。不過，過去50年 間，ECM始終沒有什么根本性變化，而且，由于存在大量的機械和環境噪聲問題，它在新型便攜式設備中的功能性受到限制，成為音頻系統設計人員、機械設計人 員以及制造商的關鍵“痛點”。

　　本文將描述設計人員和制造商如何能夠利用基于CMOS（互補金屬氧化物半導體）MEMS（微機電系統）技術的下一代麥克風來克服ECM的眾多相關問題。

　　麥克風技術的演變：從ECM到硅晶技術

　 　傳統ECM是一個金屬罐，由一層可移動的永久充電振膜和一塊與之平行的剛性背板以及場效應晶體管（FET）構成，如圖1所示。聲波使振膜彎曲，改變振膜 和背板之間的氣隙間距，從而使振膜和背板之間的電容發生改變，這種改變以電壓變化的形式輸出，可反映出進入聲波的頻率和幅度。

　　圖1所示為一典型的音頻系統設計，其中，FET的源極接地，漏極一般通過一個2.2k的電阻偏置。

　　圖1：駐極體電容器麥克風（ECM）的橫截面簡圖。

　 　需注意，ECM的振膜與FET的柵極相連接，如圖2所示。ECM的輸出通過一個串聯電容被AC耦合到前置放大器。這一AC耦合電容提供了一個單極高通濾 波器（HPF），有助于過濾掉可能使模數轉換器（ADC）進一步飽和的有害低頻成份。盡管ECM的輸出是單端的，為獲得最佳噪聲性能，設計人員通常通過從 ECM附近的未用前置放大器輸入各產生一路線跡，并使兩路線跡保持平衡，再使用一個差分輸入放大器，消除了兩路線跡中的共模板級噪聲源。

　　圖2：采用ECM和集成式FET的音頻系統的典型示意圖。

　　麥克風設計的挑戰：減少噪聲

　　頻系統設計人員的主要挑戰是在系統設計中使總體噪聲最低。ECM的噪聲由若干來源決定：偏置電壓波動引起的電子噪聲，FET噪聲，板級噪聲，振膜的聲音自噪聲，以及被耦合到FET的高阻抗輸入的外部電磁（EM）場和射頻（RF）場。

　　當安置有ECM的系統靠近帶有功率控制的射頻發射器時，功率控制產生的RF信號的音頻成份可通過麥克風解調，轉換為可聞于音頻路徑的聲音信號。低功率的便攜式設備一般使用功率門限（powergating）技術，不在使用中時就關斷RF。這種門限在音頻下出現。

　 　在ECM中，由FET的高阻抗柵極來調校發射功率放大器的門限（在音頻頻段內出現），并放大信號。一旦信號進入音頻頻段，就很難消除。當音頻信號產生可 聽見的干擾（一般稱為擊穿噪聲）時，RF功率放大器的功率門限開啟。減少ECM擊穿噪聲最有效的方法是把柵極引線長度減至最短，并用一個電容來濾除手機、 筆記本電腦等配備有Wi-Fi功能的無線系統中出現的RF干擾。這一電容應該加在FET的漏極上，并最好位于麥克風罐內部。該電容容值根據干擾場的載波頻 率和電容的最佳衰減頻率來選擇。電容的衰減頻率可從制造商提供的規格手冊中查到。

　　音頻系統中另一個最常見的噪聲源是電源（偏置電壓）波 動。ECM是低敏感度的麥克風，輸出10mVrms數量級的很小的模擬信號。由于ECM沒有任何電源抑制（PSR）能力，電源很小的波動就能引起用戶能聽 到小輸出信號波動。因此，為了維持最佳信噪比，應該采用額外的濾波元件來保持麥克風偏置電源的“干凈”。

　　在音頻系統中使用ECM還帶來 了許多機械設計和制造方面的挑戰。首先也是最重要的，雖然ECM一直在不斷縮小，但它已達到其尺寸極限，再進一步變小，就得付出敏感性、頻率響應及噪聲等 性能降低的代價。目前，便攜式電子設備中所用ECM的標準尺寸范圍為直徑4～6mm，高度1.0～2.0mm。

　　另一項挑戰是ECM不僅 能夠檢測聲音信號，還能檢測出機械振動，并最終把振動轉換為低頻聲音信號。當ECM被置于振動環境時，比如安裝在電風扇或大型喇叭附近的電路板上，音頻系 統的主要噪聲源將是振動。減少麥克風處振動的唯一方法是，在把麥克風安裝在電路板上時，采用額外的機械隔離材料。

　　此外，不論是制作 ECM振膜和背板的材料，還是ECM的永久振膜充電，在表面安裝必需的高溫下，性能都會顯著下降。因此，在麥克風和電路板之間必須使用某種形式的電子互連 （插座或彈性壓縮式連接器），從而使本已很大的元件總體高度更大（與目前許多便攜式電子設備的纖薄外形相比）。最后，因為ECM不能進行表面安裝，而需手 工組裝，故與能夠采用自動分撿（pickandplace）組裝工藝，能被焊接到電路板上的元件相比，它的組裝成本更高，可靠性更低。

　　 Akustica公司正在利用稱為CMOSMEMS的最新型MEMS技術開發新一代的單芯片硅晶麥克風。不同于其它硅晶麥克風需要至少兩塊硅芯片，一塊用 作硅晶麥克風換能器單元，另一塊用作集成電路（IC），CMOSMEMS麥克風是單塊式集成電路，其中MEMS換能器單元由標準CMOS晶圓中的金屬介電 質結構形成。由于CMOSMEMS麥克風是采用業界標準CMOS工藝和目前用來制造集成電路的設備制作的，故該器件可以在全球任何一家CMOS晶圓廠生 產。CMOSMEMS器件的制造已在九家不同的晶圓廠，經從0.6微米三層金屬工藝到0.18微米銅互連工藝的11種不同CMOS技術得到驗證。結果證明 這項技術具有半導體制造的高良率和可重復性，能夠以極高批量大規模生產。

　　在CMOSMEMS平臺上開發的單塊集成電路硅晶麥克風解決方 案使消費電子設備設計人員和制造商得以避免眾多ECM相關問題。圖3是一個單芯片硅晶麥克風的俯視圖和橫截面圖。這一單塊芯片由MEM換能器 （transducer）和阻抗匹配線路組成，它也是一個帶有可移動振膜和剛性背板的電容性傳感器。

　　圖3:CMOSMEMS麥克風芯片的俯視圖（a）和橫截面圖（b）。

　 　圖4所示為一個采用了CMOSMEMS模擬麥克風的典型音頻系統。鑒于CMOSMEMS麥克風更類似于模擬IC而非ECM，它也采用類似于IC的供電分 式，直接連接到電源。電源輸入和系統其余部分之間的片上隔離為元件增加了PSR，使CMOSMEMS麥克風本質上比ECM具有更強的抗電源噪聲能力，并不 再需要額外的濾波線路來保持電源線的“干凈”。

　　圖4：采用CMOSMEMS麥克風的典型音頻系統示意圖。

　 　當在微米級的聲學結構內制作電子線路時，線跡長度很短，能夠提高減少擊穿噪聲的能力。不同于ECM中的FET，在CMOSMEMS麥克風中，由于是片上 放大級，隔膜和前置放大器的間距極短，輸入輸出隔離更好。因為有電源和輸出信號隔離更好，加上隔膜到前置放大器的距離更短，幾乎沒有可能會把電磁場耦合到 麥克風里。

　　CMOSMEMS麥克風還解決了使用ECM所遇到的許多機械設計和制造方面的挑戰。首先，CMOSMEMS麥克風單塊集成電 路的特性使其占位面積和高度比傳統ECM尺寸的一半還要小。其次，CMOSMEMS麥克風振膜的尺寸和質量都很小，較之直徑4-6mm的ECM振膜，其直 徑小于0.5mm，提高了抗振動性。第三，由于CMOSMEMS麥克風是采用標準CMOS材料和工藝制作的，它們本質上就能夠耐受表面安裝時所需的高溫環 境。無需機械互連又使這種麥克風系統的總體高度顯著降低。最后，CMOS硅晶麥克風具有表面安裝和分撿兼容性，不再需要進行手工組裝，故而降低了成本，并 提高了可靠性、生產能力和良率。

　　CMOSMEMS麥克風還能夠在芯片上集成一個模數轉換器，形成一個具有強健數字輸出的麥克風。由于大 多數便攜式應用最終都會把麥克風的模擬輸出轉換為數字信號來處理，因此系統架構可以設計成完全數字式的，這樣一來，就從電路板上去掉了很容易產生噪聲的模 擬信號，并簡化了總體設計。

　　使用數字CMOSMEMS麥克風的優點在麥克風和CODEC之間需要很長電纜的應用中最為顯著，比如筆記本 電腦平臺，為達最佳聲效，一般麥克風被安裝在顯示器中，而CODEC則安裝在電腦主體的母板上。在這種情形下，有許多電纜線和電子噪聲源會對筆記本電腦顯 示器周圍的小模擬聲音信號產生干擾，故需要屏蔽布線（shieldedcabling）和其它過濾元件來將干擾減至最小。然而，若使用數字 CMOSMEMS麥克風，則無需屏蔽布線或過濾元件，簡化了設計，減少了總體元件數目，降低了材料清單（BOM）成本。

　　本文小結

　　在為當前的下一代便攜式電子設備設計音頻系統時，CMOSMEMS麥克風能夠解決使用ECM所無法解決的許多困難。表1總結了ECM麥克風和CMOSMEMS麥克風之間的不同之處，便于系統和機械設計人員以及制造商更好地利用CMOSMEMS麥克風。

　　表1:ECM麥克風和CMOSMEMS麥克風的主要特性比較。

　 　利用Akustica公司的專利CMOSMEMS技術，可以把振膜與強有力的模數信號處理功能集成在單塊芯片中，從而實現可用于未來的便攜式電子設備的 下一代麥克風。CMOSMEMS麥克風提供的這種設計簡單性和生產效率將使手機、PC機、PDA和無數其它消費電子產品的設計人員及制造商能夠制造出更強 勁、功能更豐富、成本更低的產品，更好地為市場服務。

MEMS加速度傳感器在胎兒心率檢測儀中的應用

　　一、概述

　　目前國際上已把婦幼保健指標作為衡量社會生產、經濟發展的敏感指標。我 國規定的體現小康水平的健康指標、人均期望壽命、嬰兒死亡率、孕產婦死亡率等指標都大部分需要通過婦幼保健來實現?，F在醫院常規的產前檢查包括測胎心、胎 位、量血壓、稱體重、測腹圍和宮底高度等。其中檢測胎兒心率是一項技術性很強的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統的聽診器甚 至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數很難測量準確。而具有數字顯示功能的超聲多普勒胎心監護儀，價格昂貴，僅為少數大醫院使用，在中、小型醫院及廣 大的農村地區無法普及。此外，超聲振動波作用于胎兒，會對胎兒產生很大的不利作用 盡管檢測劑量很低，也屬于有損探測范疇，不適于經常性、重復性的檢查及家庭使用。

　　本項目基于VTI公司的SCA600C13H1G型MEMS加速度傳感器，提出一種無創胎心檢測方法，研制出一種簡單易學、直觀準確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫療輔助儀器。

　　二、 SCA600C13H1G

　 　SCA600C13H1G硅電容式加速度傳感器是由單晶硅和玻璃制成。這種設計能夠保證，隨著時問和溫度的變化，產品具有很好的可靠性、準確性和穩定 性。它的電容檢測原理簡單而且可靠，是基于兩個平行板間距的變化來測量的。一對平行板間的電容和電荷存儲量取決于平行板間的間距和板面積。 產品的密封結構降低了封裝要求。微?；蚧瘜W物質不能進入傳感器內，從而保證了產品的可靠性。 產品的雙電容器結構和對稱性設計改善了產品的零點穩定性、線性度和橫向靈敏度。通常，溫度系數小于0．05FS／~C，橫向靈敏度小于3％。這種新型傳感 器有如下特點；緊湊的結構，低功耗，可靠性好，性能優異。

　　VTI的加速度傳感器是基于已經得到證明的3D MEMS技術制作的。三維微電子機械系統（3D-MEMS ），是各種技術的創新性組合，可以將硅加工成三維結構，其封裝和觸點便于安裝和裝配，用這種技術制作的傳感器具有極好的精度、極小的尺寸和極低的功耗。一 個高級的傳感器僅由一小片硅就能制作出來，并能測量三個互相垂直方向的加速度。

　　三、系統工作原理與組成

　 　本傳感器系統的工作原理如圖1所示 通過加速度傳感器將胎兒心率轉換成模擬電壓信號，經前置放大用的儀器放大器實現差值放大。然后進行濾波等一系列中間信號處理，用A／D轉換器將模擬電壓信 號轉換成數字信號。通過光隔離器件輸入到8051單片機進行分析處理，最后輸出處理結果。

　　1、前置放大電路

　　前置放大器主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比這三項的影響。

　　2、信號處理電路

　 　母體中胎兒心率信號是屬于強噪聲干擾下的低頻微弱信號，由于其非常微弱，只有微伏級，同時干擾又很大，因此有效信號往往會被淹沒。干擾信號一般包括高頻 的電磁干擾、50Hz工頻干擾以及母體中的其它干擾源等。工頻干擾主要以共模信號的形式存在，通常幅值可達幾伏。母體中的干擾信號和胎兒心率信號的頻率也 不相重疊。能夠根據胎兒心率信號主要集中在7OHz～l10Hz范圍之內的特點，設計了一款針對性強、性能優越、穩定可靠的胎兒心率信號處理電路，如圖2 所示。

　 　中間信號處理電路分為帶通選頻電路、二級放大電路、50Hz陷波器和增益調節電路四部分。帶通選頻電路用狀態變量濾波器作為帶通濾波器，通帶的最大范圍 設定為50Hz；--“140Hz如圖3所示。這種濾波器有三個好處：適當選擇元件數值?？墒蛊焚|因數Q和中心頻率無關； 和Q對元件參數很不靈敏；Q只可以很高（可和高Q值有源帶通濾波器相媲美）。

　　二級放大電路在結構上和增益調節電路類似。都是由運放接成電壓負反饋的形式。前者進行信號的放大，而后者控制整體電路的增益，最大可達120dB。其結構示意圖如圖4所示。運用電壓串聯負反饋結構。其優點是結構簡單，具有如下不可替代的優越的性能：

　?。?）輸入等效阻抗， j=（1 ，輸出等效阻抗小，Ro=Rod（I+AF），其中， fd運放的輸入阻抗， 為輸出阻抗。不僅完成了信號的放大作用，而且還起到了緩沖器的作用。有效地隔離了前后級的模塊，不用額外增加阻抗變換器和匹配模塊；

　　（2）電容C53的使用使整個模塊具有了低通的功能，不僅可以去除信號中的高頻干擾，還由于其超前補償作用，對有效信號中的高頻部分進行了相位補償。通過合理的設計，電路頻率段的相位將變化平緩。

　　圖5所示為50Hz工頻陷波器采用典型的有源雙T陷。

　　3、A／D轉換和光電耦合電路

　　傳感器出來的信號是模擬電壓信號。需要經過A／D 轉換變成數字信號，才能送到805l單片進行處理 為了保證安全以及防止模擬和數字電路之間的干擾，光電隔離電路也是一個必不可少的模塊。如圖6所示。

　　4、MCU信號處理

　　MCU對信號的處理主要是對從A／D 轉換器傳來的數據進行數據分析和計算胎兒心率值。設計一個基于小波變換的自適應濾波器，能夠更好的對信號進行處理，從中提取我們需要的信號。

　　MCU采用atmel公司的AT89C205l，與液晶顯示器的連接電路如圖7所示。

　 　該單片機是采用高性能的靜態80C51設計。由先進CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲器。全部支持l2時鐘和6時鐘操作。 AT89e205包含128字節RAM、16條I／O口線、2個16位定時／計數器、5輸入2優先級嵌套中斷結構、1個串行I／O 口可用于多機通信I／O擴展或全雙工UART以及片內振蕩器和時鐘電路。

　　此外，由于器件采用了靜態設計，可提供很寬的操作頻率范圍（頻 率可降至0）?？蓪崿F兩個由軟件選擇的節電模式—— 空閑模式和掉電模式?？臻e模式凍結CPU，但RAM、定時器、串口和中斷系統仍然工作。掉電模式保存RAM 的內容，但是凍結振蕩器，導致所有其它的片內功能停止工作。由于設計是靜態的，時鐘可停止而不會丟失用戶數據。運行可從時鐘停止處恢復。

　　5、顯示電路

　 　設計使用的是YLF12232F液晶顯示器。YLF12232F是一種內置8192個16”16點漢字庫和128個16*8點ASCII字符集圖形點陣 液晶顯示器，它主要由行驅動器／列驅動器及128×32全點陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示7．5×2個（16×16點陣）漢字與外部 CPU接口采用串行方式控制的一款胎心監護儀器。

　　圖8是采用新型MEMS加速度傳感器設計。

　　五、結束語

　 　基于MEMS加速度傳感器設計的胎兒心率檢測儀。對這類儀器而言，最重要的就是如何出去干擾和噪聲。從中提取我們需要的信號。隨著技術的發展，儀器也越 來越小型化、便攜化。并且在適當改進后能夠以此為終端，做一個遠程胎心監護系統。它是把目前的常規胎心監護和計算機， 電話通訊相結合，運用上述胎心檢測儀，電話機和醫院的中央信號采集分析監護主機構成系統。醫院端的中央信號采集分析監護主機給出自動分析結果，醫生對該結 果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫院來。該技術有利于孕婦隨時檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。

飛思卡爾基于MEMS的傳感器技術

　　微機電系統（MEMS）是飛思卡爾應用于加速度和壓力傳感器的技術。基于MEMS的傳感器產品有一個接口，通過該接口可以感應、處理和/或控制周圍環境。

　　飛思卡爾基于MEMS的這一類傳感器器件將非常小的機電組件集成在單個芯片上?；贛EMS的傳感器是汽車電子、醫療設備、硬盤驅動器、計算機外設、無線設備及手機、PDA等智能便攜式電子設備的重要組件。

　　MEMS的優點：低成本、低功耗、小型化、高性能、集成

　　飛思卡爾的領先地位

　　近30年來，飛思卡爾半導體不斷開發各種基于MEMS的傳感器。用于生產傳感器的工藝技術大體上分為兩類：立體微加工和表面微加工。我們公司生產加速度傳感器和壓力傳感器。飛思卡爾是大規模量產基于MEMS傳感器的制造商。

　　應用

　 　基于MEMS的傳感器是汽車電子、醫療設備、手機、PDA等智能便攜式電子器件，以及硬盤驅動器?、計算機外設和無線設備的重要組件。汽車工業已開始將 這些傳感器專用于安全氣囊系統碰撞檢測。從上世紀90年代到今天，采用MEMS技術的安全氣囊傳感器市場取得了極大的成功?，F在，從噴墨打印機到手機，基 于MEMS的傳感器已廣泛應用于各種設備。目前，各主要市場都在采用這一技術。

　　HARMEMS技術

　 　飛思卡爾新一代高寬比微機電系統（HARMEMS）技術是適合安全氣囊傳感應用的成熟技術。加速度傳感器采用先進的傳感設計，改進傳感器的偏移性能。 HARMEMS技術具有過阻尼機械響應和出色的信噪比，可滿足客戶的要求。由于安全氣囊主ECU系統安裝在汽車駕駛室中，過阻尼HARMEMS技術對高 頻、高振幅寄生振動?具有耐受能力。HARMEMS技術已引入到電子穩定控制系統（ESC）中采用的雙軸加速度傳感器中，以測量汽車橫向加速度。

　　MEMS表面微加工

　 　在表面微加工過程中，MEMS傳感器采用沉積薄膜材料在晶圓表面上成形。這些沉積材料包含傳感器成形過程中使用的結構材料和界定結構層之間的間隙所用的 襯層材料。許多表面微加工傳感器采用電容轉換法，將輸入機械信號轉換為等效電子信號。通過電容轉換法，傳感器可視為一個機械式電容，其中一個平板在物理驅 動力作用下產生移動。這種移動會改變兩個電極之間的間隙，電容隨之變化。電容的這種變化是與輸入的機械動力等效的電子量。

　　MEMS體型微加工

　 　體型微加工過程中，單晶硅通過蝕刻形成三維的MEMS器件。這是一種侵蝕式工藝，采用各向異性化學腐蝕方法去除晶圓中的硅。這種體型微加工方法可用來大 規模量產各種傳感器，如壓阻式壓力傳感器。最簡單的加工方法是有選擇地蝕刻特定部分的硅片，讓這些區域只剩下一層隔膜。在絕對壓力傳感器中，硅晶圓與另一 晶圓結合（芯片或硅玻璃），在隔膜下形成一個真空密封腔。隔膜在壓力作用下發生彎曲。壓敏電阻效應是廣泛采用的一種能量轉換機制。在壓敏電阻材料中，應力 的變化產生張力，從而引起電阻產生相應的變化。當在隔膜最大應力點上植入壓敏電阻時，壓力作用下產生的變形引起電阻變化。一般情況下，可將壓敏電阻組成橋 接網絡，兩個端子之間應用的電壓產生的輸出電壓可在另外兩個端子?之間進行測量。

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　　MEMS相關資料集錦——專注智能設計 釋放MEMS魔力

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