用MEMS加速度计作为拾音器完美再现乐器音效

文章摘要：MEMS（微机电系统）传感器在汽车、手机、个人电脑、相机等各种应用中屡见不鲜，但是直到现在，这类传感器还未用于吉他领域。本文作者将探究以下问题的答案：如何采用MEMS加速度计作为声学传感器。MEMS加速度计技术典型的MEMS加速度计的核心单元是一个由两组指状栅条组成的可移动条形结构：其中一组固定到衬底上，而另一组则安装到一组弹簧上的质量块上，该弹簧能够根据所施加的力产生移动，改变固定栅条与移动栅条之间的电容（见图1）。图1 MEMS加速度计的结构MEMS结构（见图2）通常采用单晶硅制成，或者采用以极高的温度沉积到单晶硅晶圆表面上的多晶硅。采用这一灵活的技术可以制成机械特性差异很大的结构。弹簧刚

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MEMS（微机电系统）传感器在汽车、手机、个人电脑、相机等各种应用中屡见不鲜，但是直到现在，这类传感器还未用于吉他领域。本文作者将探究以下问题的答案：如何采用MEMS加速度计作为声学传感器。
　　
MEMS加速度计技术

典型的MEMS加速度计的核心单元是一个由两组指状栅条组成的可移动条形结构：其中一组固定到衬底上，而另一组则安装到一组弹簧上的质量块上，该弹簧能够根据所施加的力产生移动，改变固定栅条与移动栅条之间的电容（见图1）。

图1 MEMS加速度计的结构

MEMS结构（见图2）通常采用单晶硅制成，或者采用以极高的温度沉积到单晶硅晶圆表面上的多晶硅。采用这一灵活的技术可以制成机械特性差异很大的结构。弹簧刚度、感测元件的质量以及结构阻尼都可以通过设计进行控制和改变，从而实现可感应从零点几个g到数百个g的带宽高达20kHz的传感器。

图2 ADXL50 MEMS加速度计结构的显微图

MEMS感测单元可以与同一芯片（见图3）或者不同芯片上（见图4）的信号调理电路相连。对于单芯片解决方案而言，感测单元的电容可以低至1～2fF，相当于aF范围的量测分辨率。在双芯片结构中，MEMS单元的电容必须足够高，以便能够克服MEMS与ASIC调理电路之间连接线的寄生电容效应。

图3 ADXL202 ±2g加速度计

图4 典型双芯片加速度计的横截面图

作为震动测量传感器的加速度计

使用震动感测传感器作为乐器中的拾音器，这并不是一个新的概念。压电式以及电磁式传感器是目前许多拾音器应用的基础。微型MEMS加速度计的尺寸小、外形薄，因此不会在乐器中产生机械或质量负荷效应，这使得它们对于这些应用极具吸引力；但是由于商用加速度传感器的带宽极低，这类加速度计的应用到目前为止一直都受到限制。

加速度计技术方面的一些最新突破性进展使得具有非常高带宽但又非常小的加速度计实现了量产。ADI公司采用5mm×5mm×2mm封装尺寸的ADXL001（见图5）高g（±70～±500g）单轴加速度计的带宽就已经达到22kHz。这款产品可以通过检测设备声学特性的变化来确定电机或其他工业设备的“健康”状况。不过，这种特殊传感器要用作乐器的声学震动传感器还不够灵敏。理想的声学传感器需要测量所有3个轴向上的响应，而它却只能感应单轴运动。然而目前已经证明，采用MEMS技术已经能够实现全音频带宽内的加速度传感器。

图5 ADXL001的频率响应曲线

低g加速度计可以测量低至千分之一g级的加速度，但带宽一般被限制在5kHz左右。这一限制的原因可能是需要很高带宽的商业应用太少（主要的应用包括人的运动或者重力引起的加速度检测），故业界缺乏足够的动力去开发特别适用于音频频段测量的传感器。

三轴加速度计具有三个独立的输出，能够测量沿笛卡儿坐标系中X、Y、Z轴方向的加速度。举例来说，ADI公司的ADXL330三轴低g加速度计在X轴以及Y轴上具有高达6kHz的带宽，而在Z轴上的带宽约为1kHz。虽然还不够理想，但这个带宽已经使得该器件可以获取音频频段上的有用信息。其输出为模拟信号，故很容易用于标准的录音设备。由于其尺寸小于4mm×4mm×1.45mm（见图6），因此该传感器可以放入极小的空间中，在响应被测系统时不会产生质量负荷或者其他改变。下面将介绍这款低g加速度计如何用作吉他的拾音器。

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