MEMS技术浅谈及应用设计方案集锦

　　什么是MEMS？

　　微机电系统（MEMS），在欧洲也被称为微系统技术，或在日本被称为微机械，是一类器件，其特点是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米——1微米可是要比人们头发的直径小很多。

　　MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。然而，MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。

　　今天很多产品都利用了MEMS技术，如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。

　　我们为何需要MEMS？

　 　“他们告诉我一种小手指指甲大小的电动机。他们告诉我，目前市场上有一种装置，通过它你可以在大头针头上写祷文。但这也没什么；这是最原始的，只是我打 算讨论方向上的暂停的一小步。在其下是一个惊人的小世界。公元2000年，当他们回顾当前阶段时，他们会想知道为何直到1960年，才有人开始认真地朝这 个方向努力。”——理查德·费曼，《底部仍然存在充足的空间》发表于1959年12月29日于加州理工大学（Caltech）举办的美国物理学会年会。

　　在这个经典的带预言性质的演讲《底部仍然存在充足的空间》中，理查德·费曼继续描述我们如何在针尖上写出大英百科全书的每一卷。但我们可能会问：为什么要在这样一个微小尺上生成这些对象？

　 　（编者注：理查德·费曼（1918年5月11日－1988年2月15日），费曼是十九世纪末，俄罗斯和波兰犹太人移民到美国的后裔。美国物理学家。 1965年诺贝尔物理奖得主。提出了费曼图、费曼规则和重正化的计算方法，是研究量子电动力学和粒子物理学不可缺少的工具。费曼被认为是爱因斯坦之后最睿 智的理论物理学家，也是第一位提出纳米概念的人）

　 　MEMS器件可以完成许多宏观器件同样的任务，同时还有很多独特的优势。这其中第一个以及最明显的一个优势就是小型化。如前所述，MEMS规模的器件， 小到可以使用与目前集成电路类似的批量生产工艺制造。如同集成电路产业一样，批量制造能显著降低大规模生产的成本。在一般情况下，微机电系统也需要非常量 小的材料以进行生产，可进一步降低成本。

　　除了价格更便宜，MEMS器件也比它们更大等价物的应用范围更广。在智能手机、相机、气囊控制单元或类似的小型设备中，竭尽所能也设计不出金属球和弹簧加速度计；但通过减小了几个数量级，MEMS器件可以用在容不下传统传感器的应用中。

　 　易于集成是MEMS技术的另一个优点。因为它们采用与ASIC制造相似的制造流程，MEMS结构可以更容易地与微电子集成。将MEMS与CMOS结构集 成在一个真正的一体化器件中虽然挑战性很大，但并非不可能，而且在逐步实现。与此同时，许多制造商已经采用了混合方法来创造成功商用并具备成本效益的 MEMS 产品。

　 　德州仪器的数字微镜器件（DMD）就是其中一个案例。DMD是TI DLP® 技术的核心，它广泛应用于商用或教学用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和关闭状态之间产生的。颜色通过使用三芯片方案（每一基色对应一个芯片），或通过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来加入。采用后者技术的设计通过色环的旋转与DLP芯片同步，以连续快速的方式显示每种颜色，让观众看到一个完整光谱的图像。

　　或许MEMS技术的一个最有趣特性是设计师得以展示在如此小规模的物理域中发掘物理独特性的能力——这一主题随后将再次谈及。

　　MEMS现状

　 　基于各种原因，许多MEMS产品在商业上取得了巨大成功，其中许多器件已经获得广泛应用。汽车工业是MEMS技术的主要驱动力之一。例如MEMS振动结 构陀螺仪，是一款新的相当便宜的设备，目前用于汽车防滑或电子稳定控制系统中。村田电子的SCX系列MEMS加速度计、陀螺仪和倾斜仪，以及将这些功能集 成在一个单芯片中可助力特定的汽车应用---因为它们的精度要求可能会非常高。基于MEMS的气囊传感器自上世纪90年代起在几乎所有汽车中已经普遍取代 了机械式碰撞传感器。图2显示了一个简化的MEMS加速度计示例，同碰撞传感器中使用的类似。一个带有一定质量块的悬臂梁连接到一个或多个固定点以作为弹 簧。当传感器沿梁的轴线加速时，该梁会移动一段距离，这段距离可以通过梁的“牙齿”与外部固定导体之间的电容变化来测量。

　 　许多商用和工业用喷墨打印机使用基于MEMS技术的打印机喷头，保持这些墨滴并在需要时精确地放下这些墨滴——这一技术被称为按需投放（DoD）。墨滴 放置在横跨压电材料（比如 lead zirconatetitanate，）组成的元件中，通过施加的电压来进行挤压。这增加了打印头墨水室的压力，通过施力形成一个非常小量（相对压缩）的 墨水，并从喷嘴中喷出。

　 　与此同时，其它一些MEMS技术才刚开始大规模进入市场。微机械继电器（MMR），比如欧姆龙开发的，这种继电器更快，更高效，其集成度前所未有。欧姆 龙发挥了自己的微机电系统专业优势，为市场带来新款温度传感器：D6T非接触式MEMS温度传感器。该D6TMEMS制作过程中集成了ASIC和热电堆元 件，所以这种小型化的非接触式温度传感器大小仅为18×14×8.8毫米（4x4元件类型）。

　 　当然，当前的MEMS技术不限于单个传感器器件，考虑一下人的感官：单只眼带给我们颜色、运动和（一些）位置信息，而两只眼睛将带来双眼视觉，改善立体 感知。事实上，我们的许多感知体验需要感官的组合，这样的感知才是最终有意义的。我们的思路是，通过将传感数据组合起来，可以弥补单个感官器官的弱点和缺 点，并达到某种程度上最佳的环境理解。在人类领域，这就是所谓的“多通道整合”;而在电子领域，这就是所谓的传感器融合。传感器融合，特别是当它涉及到 MEMS时，是移动设备中传感器技术的一个重要的进展。许多制造商已经开始提供完整的解决方案，如飞思卡尔面向Win8的12轴Xtrinsic传感器平 台。该平台集成了3轴加速度计，3轴磁力计，压力传感器，3轴陀螺仪，环境光传感器，并带有一个ColdFire + MCU，以提供一个完全硬件解决方案——还打包提供专用的传感器融合软件。

　　随着MEMS器件的优势获得认可，MEMS市场步伐也在持续加快。据YoleDéveloppement2012年MEMS产业报告中所述，在接下来6年，MEMS“将继续保持平稳、持续的两位数增长”，2017年全球市场价值将达到210亿美元。

基于闭环MEMS的电容式惯性传感器设计

　　微机械式惯性传感器已经成为许多消费产品的一个组成部分，比如手持式移动终端、照相机和游戏控制器等。此外，微机械式惯性传感器还被广泛用于工 业、汽车安全和稳定控制以及导航领域中的振动监测。一般来说，微型传感器可以是压电式、压阻式或电容式传感器。然而，电容式传感的高热稳定性和高灵敏度使 得它对种类广泛的应用来说更具吸引力。

　　带数字读取功能的基本的电容式传感器接口电路由电容到电压转换器（C/V），以及随后的 模数转换器（A/D）和信号调节电路组成。以开环配置（没有反馈信号）运行这种传感器可以形成相对简单的系统，这种系统本身就比较稳定。尽管如此，开环工 作时的系统对MEMS参数会非常敏感。此外，整个系统的线性度受传感器系统链中每个模块的线性度影响，而且C/V和A/D的动态范围要求可能会更加严格。 相反，将MEMS传感器放在负反馈闭环中使用有许多好处，例如改进的带宽、对MEMS器件的工艺和温度变化具有较低的敏感性。另外，由于C/V只需要处理 误差信号，与开环工作方式相比，C/V动态范围和线性指标可以放宽。因此为确保系统的稳定性，正确设计反馈环路就显得非常重要。

　　在电容式传感器中，反馈信号以电容激励电极上的电压信号形式施加到MEMS。这个施加的电压将产生一个静电力并作用到MEMS质量块上。因此最终形成的系统被称为力反馈系统。然而，电容有一个二次的电压比力关系，它会限制系统的线性度。

　 　克服电压比力（V/F）二次关系负担的一种方法是以差分方式施加激励信号，以便抵消二次项。然而，这种技术要求正负电压值，这将增加传感器接口ASIC 的复杂性。更重要的是，差分工作所需的两个激励电容如果不匹配会导致激励二次项不能完全抵消，因此电容不匹配将限制系统可实现的性能。

　　 实现闭环工作的另外一种方法使用两级bang-bang反馈信号。由于只用到两个点的二次V/F关系，这种方法天生就是线性的，而且并不依赖MEMS电容 的匹配或使用负电压去抵消非线性。使用两级激励意味着将反馈信号幅度中的信息转换为时间信息。因此Σ-Δ调制可以成为实现闭环数字读取传感器的一种有效技 术。另外，基于Σ-Δ的环路默认提供模数转换功能，因此不需要再使用单独的A/D。Σ-Δ闭环架构代表了高性能数字读取传感器的最优架构。值得注意的 是，Σ-Δ系统的超采样特性会使操作系统工作在相对较高的频率，因此系统变得较易受MEMS寄生电容耦合的影响。尽管如此，抵消这种耦合的电路技术已经非 常成熟，并且可以在传感器的接口ASIC中实现。Σ-Δ闭环传感器的架构选择需要依据为电子Σ-Δ系统开发的深层技术。然而，具有自然电子－机械特性的 Σ-Δ闭环传感器在系统级设计与优化时需要正确理解MEMS的工作原理和建模机制。典型MEMS传感器的检测部分行为就像是一个二阶集总式质量块（阻尼 器）弹簧机械系统，具有单一的谐振频率，其传递函数如下：

　　

　　其中Fin（s）是输入的力（在使用陀螺仪时是科里奥利力，在使用加速度计时是由于输入加速产生的力）。x（s）是传感器质量块对应输入力的位移。m是质量块的质量，D是阻尼系数，k是弹簧常数（刚度）。

　 　MEMS传感器的工作原理基于这样一个事实：给MEMS施加一个输入力（Fin）将产生一定的位移，进而改变MEMS电容（Cout）。这个Cout可 以用连接MEMS单元的电路进行测量。带激励电极的MEMS传感器建模如图1所示。这个模型的增益是Kx/c，代表由于MEMS质量块位移引起的输出电容 变化。Kx/c等于：

　　

　　其中Cd是MEMS的检测电容，X0是电容间隙距离。系数2代表差分工作。这个模型还包含一个KV/F因子，它是由于反馈电压VACT产生的力：

　　

　　其中VACT是激励电压，Ca是MEMS的激励电容。吸合（拉入）是电容式MEMS传感器的一个重要现象，此时电容极板由于施加的大电压而吸合在一起，从而导致工作故障。防止吸合的最大静态电压等于：

　　

　　其中C0是电容的剩余容量。上述Vp表达式只是用于展示Vp的相关性。

　　

　　图1：MEMS惯性传感器传感部分模型

　　但是在像Σ-Δ环路中那样的动态电压激励情况下，上述表达式不能精确地表示Vp的实际值。在基于Σ-Δ的传感器中，MEMS用作环路滤波器，会形成一个二阶电子-机械式Σ-Δ系统。

　　将MEMS引入Σ-Δ环路可以提高阶数，并进一步抑制量化噪声。图2显示了基于Σ-Δ的传感器框图，其中的MEMS与特殊应用集成电路（ASIC）连接在一起组成了一个完整的传感器。这个系统还集成了一个额外的Hcomp块，用于补偿环路并保持其稳定性。

　　

　　图2： 基于Σ-Δ的闭环传感器框图

　 　这种闭环传感器的系统级设计将确定各个MEMS和ASIC参数的最优值，比如刚度（k）、间隙距离（X0）、阻尼系数（D）、激励电压（VACT）和 ASIC噪声。为了确保Σ-Δ环路的稳定工作，传感器的输入信号不能超过反馈信号。因此激励电压值VACT定义了给定MEMS参数集条件下允许的最大输入 信号。然而，为了允许大的输入信号范围而产生大的VACT会导致功耗加大，而且有时要求采用特殊的ASIC技术才能允许高压工作。ASIC技术的选择将影 响到传感器的总体成本。更重要的是，VACT允许的最大值受MEMS吸合电压Vp的限制。

　　MEMS间隙距离（X0）是系统能否实现低噪 声工作的一个关键参数。减小X0会产生更高的Cd和Kx/c，并因此增加MEMS前向增益（灵敏度）。高灵敏度可以减少ASIC噪声对以传感器输入为参考 的噪声的影响。另一方面，MEMS的布朗噪声功率直接正比于阻尼系数（D）。总的传感器噪声由MEMS噪声和 ASIC噪声组成。可以根据传感器总体目标性能、MEMS灵敏度和阻尼系数估计最大可容忍的ASIC噪声值。应该注意的是，可以达到的最小X0受MEMS 技术的限制。X0值对最大输入范围的影响，取决于激励电压（VACT）是否受限于MEMS的吸合电压。如果VACT受吸合电压的限制，那么减小X0将导致 允许的最大输入信号范围减小。如果VACT不受吸合电压的限制，那么X0的减小和激励电容（Ca）及KV/F的改进可形成更高的反馈力，最终形成更大的输 入范围。

　　MEMS单元的刚度（k）是一个重要的系统设计参数，因为它可以在MEMS单元中得到很好的控制，不像X0，其最小值受 MEMS技术的限制。假设ASIC 噪声主导传感器噪声，那么可实现的最大动态范围（VACT设为吸合之前的最大允许值）将独立于一阶k值。这是因为增加k不仅会降低MEMS灵敏度，增加以 传感器输入为参考的ASIC噪声，而且也会使反馈力增加同样的数量，因为这种方法允许在更高的VACT时工作。在MEMS噪声主导传感器性能的情况下，应 增加k值，以便支持更大的动态范围。而在工作不受吸合限制的情况下，最好是减小k值，从而提高MEMS灵敏度，减小ASIC噪声对传感器噪声的影响。需要 注意的是，k值会改变MEMS单元的谐振频率。在开环传感器中，谐振频率设定了传感器带宽的上限，而对闭环系统来说不是这样。因此k值可以根据动态范围和 噪声要求进行设置。

　　传感器性能对MEMS和ASIC参数的高度依赖性表明，闭环传感器的系统级设计需要做大量的折衷考虑，其中的 ASIC噪声预算、激励电压、功耗和技术都高度依赖于MEMS参数。因此为了实现最优的传感器，强烈推荐基于传感器总体目标规格的ASIC与MEMS协同 设计方法，而不是针对已经设计好的MEM再进行ASIC设计。

　　关于作者

　　Ayman Ismail是位于埃及开罗的Si-Ware系统公司ASIC解决方案事业部首席工程师，可以通过电子邮件地址 [e-mail]与他取得联系。（end）

基于MEMS惯性传感器的加速度测量无线传输系统设计

　　微电子与微机械（MEMS）技术的发展，使现代传感器设计向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向发展。MEMS技术突破了传统传感器设计受质 量、体积、功耗等技术瓶颈的束缚，在各测量领域有着非常广泛的应用。而随着无线技术的发展，传感器技术与无线技术结合得越来越紧密，利用无线技术开发信号 采集无线传输模块可以克服有线传输的弊端。

　　本文结合三轴线性MEMS惯性传感器LIS331DL和单片无线收发器nRF905 构建加速度测量无线传输系统，避免因采用传输导线所带来的不利影响和使用上的不方便。该系统的特点是集电源、加速度传感器、微控器、射频收发器于一体，体 积小、功耗低，能够实现对运动物体三维方向上加速度的测量。所设计的系统装置可以非常方便地固定于运动物体上，尤其适合近距复杂环境中对运动物体加速度的 测量。

　　1 系统组成和工作原理

　　系统总体构成如图1所示。系统分为主、从机两部分。从机负责测量运动物体的加速度并通过射频传输方式发射测量数据；主机负责接收从机发射的数据，对数据进行实时显示，并将数据结果通过RS 232串口保存到PC机中以供分析。

　　

　　系统采用电池供电，在非工作模式下处于待机模式，通过控制按键实现工作模式和待机模式的切换以进一步节省功耗，保证电池长时间工作。

　　2 硬件设计

　　硬件设计主要包括传感器与微控器外围连接电路设计、射频收发器与微控器外围连接电路设计等。

　　2．1 微控制器

　　经对比选用高速C8051F310单片机作为系统的微控器。C8051F310是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的真正独立工作的片上系统，片内外设丰富。

　　2．2 LIS331DL传感器电路设计

　　LIS331DL是ST纳米运动传感器家族中具有最小封装（LGA16封装，3 mm×3 mm×1 mm）、最低功耗（小于1 mW）的三轴线性加速度传感器。

　　

　 　逻辑框图如图2所示。LIS331DL内部有按互相垂直关系放置的三个敏感质量块。当有外界加速度作用时，敏感质量块会偏离其平衡位置一段位移，外界加 速度越大位移就越大。由于敏感质量块位于两个电极组成的电容之间，质量块位移的变化会引起电容电极两端电荷量的变化，电荷量的变化经电容／电压变换器转化 为电压的变化，A／D转换器将模拟电压值转换为二进制数字值，从I2C／SPI串行接口的三个输出轴以二进制补码的形式输出。该芯片能够测量运动物体在三 维空间的线加速度，三个输出轴上加速度的矢量和即为运动物体的加速度。

　　该芯片具有标准的I2C／SPI串行总线接口，内置嵌入式功能， 为用户提供动态可编程设置的两个量程±2g／±8g以适应不同的应用场合，数据输出速率可编程选择为100 Hz／400 Hz以适应不同外设的速率要求。当外界加速度值超过三个输出轴中至少一个轴的可编程加速度阈值时，芯片可被配置用以产生惯性唤醒／自由落体中断信号。 LIS331DL能够承受10 000g的加速度冲击而依然保持性能不变。

　　

　 　LIS331DL与C8051F310的电路连接如图3所示。C8051F310内部有一个标准的SPI串行接口，通过交叉开关将 C8051F310（主机）的四线制SPI外部引脚配置在P0．0（总线时钟SCK）、P0．1（主人从出MISO）、P0．2（主出从入）和 P0．3（从机SPI片选CS）这四个引脚上，LIS331DL作为SPI总线的从机，主机和从机通过SPI总线进行数据传输，总线时钟由主机决定。从机 的两个中断标志输出引脚接到主机的 P0．6和P0．7，主机内的交叉开关将两个外部中断标志输入引脚配置在P0．6和P0．7，它们连接到从机的两个中断标志输出9号和11号引脚，这样可 以进行LIS331DL功能的扩展（自由落体中断检测，内部唤醒等）。

　　2．3 nRF905单片机无线收发器电路设计

　 　本测量系统中采用nRF905射频芯片作为射频收发器。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输而无需昂贵的高速MCU来进行数据处理／时钟覆盖。通过将与 RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给微控器一个SPI接口，速率由微控器设定的接口速率决定。nRF905通过 ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速率来降低在应用中的平均电流消耗。

　　

　 　nRF905与C8051F310的电路连接如图4所示。C8051F310的SPI同步串行口已作为与LIS331DL的通信接口，为充分利用 C8051F310的引脚资源，取C8051F310的P1．0，P1．1，P1．2和P1．3四个IO口组成一个模拟SPI串口与nRF905的 SPI口相连接，数据采用单字节逐次移位的方式进行传输。

　　C8051F31O作为SPI主机，nRF905作为从机。主机在P1．0引 脚提供主机模拟SPI时钟，P1．1引脚作为主机模拟MISO 线，P1．2引脚作为主机模拟MOSI线，P1．3引脚作为从机SPI片选线。主机通过此模拟SPI串行口在配置模式下对从机相关寄存器进行配置；在RF 发射和接受模式下进行发射数据的传送和接收数据的读取。nRF905的工作状态接口由CD，AM和DR组成；工作模式控制引脚由PWR，TRX和TX组 成，C8051F310通过P1．4，P1．5和P1．6来设置nRF905的工作模式，具体模式设置如表1所示。

　　

　 　进入ShockBurst RX模式650μs后，nRF905不断检测，等待接收数据。当检测到同一频段的载波时，载波检测引脚CD被置高，当接收到一个相匹配的地址，地址检测引 脚AM被置高，当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后将DR引脚置高，通知MCU读取数据，数据读取完毕DR 引脚置低。

　　当有数据要发送时，MCU按时序将接收机的地址和要发送的数据传送给nRF905，SPI接口速率在通信协议和器件配置时 确定。进入Shock Burst TX模式650us后，射频寄存器自动开启，进行数据打包（加字头和CRC校验码），发射数据包。当数据发射完成，DR引脚置高通知MCU数据已成功发 送。

　　3 软件设计

　　软件采用结构化程序设计方法，由主程序和各任务子程序组成。系统上电后，C8051F310完成对自身、LIS331DL传感器和射频收发器nRF905的初始化设，根据键值电平高低来决定是否进入工作状态。

　 　在从机进入工作状态后，C8051F310通过SPI同步串行口读取LIS331DL传感器X，Y和Z轴寄存器的值，根据三个数值求出加速度值，然后将 该数值连同主机地址一起通过模拟SPI口传给nRF905，由其自动完成数据的发送；主机进入工作状态后不断检测有效载波，当携带有效数据的载波出现 后，nRF905自动完成去除数据包中的地址、CRC校验位和加速度数据的提取操作，此操作完成后通知C8051F310读取数据直至数据读取完 毕，C8051F310将数据先在LCD1602液晶显示器中进行显示，然后通过RS232将数据保存到PC机，系统程序流程如图5所示。

　　

　　4 系统调试

　 　在旋转试验台上进行系统的测试。试验方案为：从机固定在距旋转台中心一定距离处，通过调整转台的转速来获得不同的法向加速度，从机对法向加速度进行测 量，测量结果以射频方式传给主机进行显示和保存。该系统在试验中运行可靠，测量结果准确性高，由于采用数字式射频传输方式使数据传输误码率极低。

　　5 结论

　　采用无线数字传输方式避免了传输导线的内阻和杂散分布电容、环境温度、电磁干扰等影响，尤其适合于复杂环境下运动物体加速度的测量，这一特点是有线传输方式所无法比拟的。

基于硅MEMS技术的麦克风简化音频设计

　　传统驻极体电容器麦克风（ECM）作为一种机电元件一直以来都用于数以十亿计的手机、笔记本电脑等便携式电子设备中。不过，过去50年 间，ECM始终没有什么根本性变化，而且，由于存在大量的机械和环境噪声问题，它在新型便携式设备中的功能性受到限制，成为音频系统设计人员、机械设计人 员以及制造商的关键“痛点”。

　　本文将描述设计人员和制造商如何能够利用基于CMOS（互补金属氧化物半导体）MEMS（微机电系统）技术的下一代麦克风来克服ECM的众多相关问题。

　　麦克风技术的演变：从ECM到硅晶技术

　 　传统ECM是一个金属罐，由一层可移动的永久充电振膜和一块与之平行的刚性背板以及场效应晶体管（FET）构成，如图1所示。声波使振膜弯曲，改变振膜 和背板之间的气隙间距，从而使振膜和背板之间的电容发生改变，这种改变以电压变化的形式输出，可反映出进入声波的频率和幅度。

　　图1所示为一典型的音频系统设计，其中，FET的源极接地，漏极一般通过一个2.2k的电阻偏置。

　　

　　图1：驻极体电容器麦克风（ECM）的横截面简图。

　 　需注意，ECM的振膜与FET的栅极相连接，如图2所示。ECM的输出通过一个串联电容被AC耦合到前置放大器。这一AC耦合电容提供了一个单极高通滤 波器（HPF），有助于过滤掉可能使模数转换器（ADC）进一步饱和的有害低频成份。尽管ECM的输出是单端的，为获得最佳噪声性能，设计人员通常通过从 ECM附近的未用前置放大器输入各产生一路线迹，并使两路线迹保持平衡，再使用一个差分输入放大器，消除了两路线迹中的共模板级噪声源。

　　

　　图2：采用ECM和集成式FET的音频系统的典型示意图。

　　麦克风设计的挑战：减少噪声

　　频系统设计人员的主要挑战是在系统设计中使总体噪声最低。ECM的噪声由若干来源决定：偏置电压波动引起的电子噪声，FET噪声，板级噪声，振膜的声音自噪声，以及被耦合到FET的高阻抗输入的外部电磁（EM）场和射频（RF）场。

　　当安置有ECM的系统靠近带有功率控制的射频发射器时，功率控制产生的RF信号的音频成份可通过麦克风解调，转换为可闻于音频路径的声音信号。低功率的便携式设备一般使用功率门限（powergating）技术，不在使用中时就关断RF。这种门限在音频下出现。

　 　在ECM中，由FET的高阻抗栅极来调校发射功率放大器的门限（在音频频段内出现），并放大信号。一旦信号进入音频频段，就很难消除。当音频信号产生可 听见的干扰（一般称为击穿噪声）时，RF功率放大器的功率门限开启。减少ECM击穿噪声最有效的方法是把栅极引线长度减至最短，并用一个电容来滤除手机、 笔记本电脑等配备有Wi-Fi功能的无线系统中出现的RF干扰。这一电容应该加在FET的漏极上，并最好位于麦克风罐内部。该电容容值根据干扰场的载波频 率和电容的最佳衰减频率来选择。电容的衰减频率可从制造商提供的规格手册中查到。

　　音频系统中另一个最常见的噪声源是电源（偏置电压）波 动。ECM是低敏感度的麦克风，输出10mVrms数量级的很小的模拟信号。由于ECM没有任何电源抑制（PSR）能力，电源很小的波动就能引起用户能听 到小输出信号波动。因此，为了维持最佳信噪比，应该采用额外的滤波元件来保持麦克风偏置电源的“干净”。

　　在音频系统中使用ECM还带来 了许多机械设计和制造方面的挑战。首先也是最重要的，虽然ECM一直在不断缩小，但它已达到其尺寸极限，再进一步变小，就得付出敏感性、频率响应及噪声等 性能降低的代价。目前，便携式电子设备中所用ECM的标准尺寸范围为直径4～6mm，高度1.0～2.0mm。

　　另一项挑战是ECM不仅 能够检测声音信号，还能检测出机械振动，并最终把振动转换为低频声音信号。当ECM被置于振动环境时，比如安装在电风扇或大型喇叭附近的电路板上，音频系 统的主要噪声源将是振动。减少麦克风处振动的唯一方法是，在把麦克风安装在电路板上时，采用额外的机械隔离材料。

　　此外，不论是制作 ECM振膜和背板的材料，还是ECM的永久振膜充电，在表面安装必需的高温下，性能都会显著下降。因此，在麦克风和电路板之间必须使用某种形式的电子互连 （插座或弹性压缩式连接器），从而使本已很大的元件总体高度更大（与目前许多便携式电子设备的纤薄外形相比）。最后，因为ECM不能进行表面安装，而需手 工组装，故与能够采用自动分捡（pickandplace）组装工艺，能被焊接到电路板上的元件相比，它的组装成本更高，可靠性更低。

　　 Akustica公司正在利用称为CMOSMEMS的最新型MEMS技术开发新一代的单芯片硅晶麦克风。不同于其它硅晶麦克风需要至少两块硅芯片，一块用 作硅晶麦克风换能器单元，另一块用作集成电路（IC），CMOSMEMS麦克风是单块式集成电路，其中MEMS换能器单元由标准CMOS晶圆中的金属介电 质结构形成。由于CMOSMEMS麦克风是采用业界标准CMOS工艺和目前用来制造集成电路的设备制作的，故该器件可以在全球任何一家CMOS晶圆厂生 产。CMOSMEMS器件的制造已在九家不同的晶圆厂，经从0.6微米三层金属工艺到0.18微米铜互连工艺的11种不同CMOS技术得到验证。结果证明 这项技术具有半导体制造的高良率和可重复性，能够以极高批量大规模生产。

　　在CMOSMEMS平台上开发的单块集成电路硅晶麦克风解决方 案使消费电子设备设计人员和制造商得以避免众多ECM相关问题。图3是一个单芯片硅晶麦克风的俯视图和横截面图。这一单块芯片由MEM换能器 （transducer）和阻抗匹配线路组成，它也是一个带有可移动振膜和刚性背板的电容性传感器。

　　

　　图3:CMOSMEMS麦克风芯片的俯视图（a）和横截面图（b）。

　 　图4所示为一个采用了CMOSMEMS模拟麦克风的典型音频系统。鉴于CMOSMEMS麦克风更类似于模拟IC而非ECM，它也采用类似于IC的供电分 式，直接连接到电源。电源输入和系统其余部分之间的片上隔离为元件增加了PSR，使CMOSMEMS麦克风本质上比ECM具有更强的抗电源噪声能力，并不 再需要额外的滤波线路来保持电源线的“干净”。

　　

　　图4：采用CMOSMEMS麦克风的典型音频系统示意图。

　 　当在微米级的声学结构内制作电子线路时，线迹长度很短，能够提高减少击穿噪声的能力。不同于ECM中的FET，在CMOSMEMS麦克风中，由于是片上 放大级，隔膜和前置放大器的间距极短，输入输出隔离更好。因为有电源和输出信号隔离更好，加上隔膜到前置放大器的距离更短，几乎没有可能会把电磁场耦合到 麦克风里。

　　CMOSMEMS麦克风还解决了使用ECM所遇到的许多机械设计和制造方面的挑战。首先，CMOSMEMS麦克风单块集成电 路的特性使其占位面积和高度比传统ECM尺寸的一半还要小。其次，CMOSMEMS麦克风振膜的尺寸和质量都很小，较之直径4-6mm的ECM振膜，其直 径小于0.5mm，提高了抗振动性。第三，由于CMOSMEMS麦克风是采用标准CMOS材料和工艺制作的，它们本质上就能够耐受表面安装时所需的高温环 境。无需机械互连又使这种麦克风系统的总体高度显著降低。最后，CMOS硅晶麦克风具有表面安装和分捡兼容性，不再需要进行手工组装，故而降低了成本，并 提高了可靠性、生产能力和良率。

　　CMOSMEMS麦克风还能够在芯片上集成一个模数转换器，形成一个具有强健数字输出的麦克风。由于大 多数便携式应用最终都会把麦克风的模拟输出转换为数字信号来处理，因此系统架构可以设计成完全数字式的，这样一来，就从电路板上去掉了很容易产生噪声的模 拟信号，并简化了总体设计。

　　使用数字CMOSMEMS麦克风的优点在麦克风和CODEC之间需要很长电缆的应用中最为显著，比如笔记本 电脑平台，为达最佳声效，一般麦克风被安装在显示器中，而CODEC则安装在电脑主体的母板上。在这种情形下，有许多电缆线和电子噪声源会对笔记本电脑显 示器周围的小模拟声音信号产生干扰，故需要屏蔽布线（shieldedcabling）和其它过滤元件来将干扰减至最小。然而，若使用数字 CMOSMEMS麦克风，则无需屏蔽布线或过滤元件，简化了设计，减少了总体元件数目，降低了材料清单（BOM）成本。

　　本文小结

　　在为当前的下一代便携式电子设备设计音频系统时，CMOSMEMS麦克风能够解决使用ECM所无法解决的许多困难。表1总结了ECM麦克风和CMOSMEMS麦克风之间的不同之处，便于系统和机械设计人员以及制造商更好地利用CMOSMEMS麦克风。

　　

　　表1:ECM麦克风和CMOSMEMS麦克风的主要特性比较。

　 　利用Akustica公司的专利CMOSMEMS技术，可以把振膜与强有力的模数信号处理功能集成在单块芯片中，从而实现可用于未来的便携式电子设备的 下一代麦克风。CMOSMEMS麦克风提供的这种设计简单性和生产效率将使手机、PC机、PDA和无数其它消费电子产品的设计人员及制造商能够制造出更强 劲、功能更丰富、成本更低的产品，更好地为市场服务。

MEMS加速度传感器在胎儿心率检测仪中的应用

　　一、概述

　　目前国际上已把妇幼保健指标作为衡量社会生产、经济发展的敏感指标。我 国规定的体现小康水平的健康指标、人均期望寿命、婴儿死亡率、孕产妇死亡率等指标都大部分需要通过妇幼保健来实现。现在医院常规的产前检查包括测胎心、胎 位、量血压、称体重、测腹围和宫底高度等。其中检测胎儿心率是一项技术性很强的工作，由于胎儿心率很快，在每分钟l20～160次之间，用传统的听诊器甚 至只有放大作用的超声多普勒仪，用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪，价格昂贵，仅为少数大医院使用，在中、小型医院及广 大的农村地区无法普及。此外，超声振动波作用于胎儿，会对胎儿产生很大的不利作用 尽管检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。

　　本项目基于VTI公司的SCA600C13H1G型MEMS加速度传感器，提出一种无创胎心检测方法，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。

　　二、 SCA600C13H1G

　 　SCA600C13H1G硅电容式加速度传感器是由单晶硅和玻璃制成。这种设计能够保证，随着时问和温度的变化，产品具有很好的可靠性、准确性和稳定 性。它的电容检测原理简单而且可靠，是基于两个平行板间距的变化来测量的。一对平行板间的电容和电荷存储量取决于平行板间的间距和板面积。 产品的密封结构降低了封装要求。微粒或化学物质不能进入传感器内，从而保证了产品的可靠性。 产品的双电容器结构和对称性设计改善了产品的零点稳定性、线性度和横向灵敏度。通常，温度系数小于0．05FS／~C，横向灵敏度小于3％。这种新型传感 器有如下特点；紧凑的结构，低功耗，可靠性好，性能优异。

　　VTI的加速度传感器是基于已经得到证明的3D MEMS技术制作的。三维微电子机械系统（3D-MEMS ），是各种技术的创新性组合，可以将硅加工成三维结构，其封装和触点便于安装和装配，用这种技术制作的传感器具有极好的精度、极小的尺寸和极低的功耗。一 个高级的传感器仅由一小片硅就能制作出来，并能测量三个互相垂直方向的加速度。

　　三、系统工作原理与组成

　 　本传感器系统的工作原理如图1所示 通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用A／D转换器将模拟电压信 号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到8051单片机进行分析处理，最后输出处理结果。

　　

　　1、前置放大电路

　　前置放大器主要考虑噪声、输入阻抗和共模抑制比这三项的影响。

　　2、信号处理电路

　 　母体中胎儿心率信号是属于强噪声干扰下的低频微弱信号，由于其非常微弱，只有微伏级，同时干扰又很大，因此有效信号往往会被淹没。干扰信号一般包括高频 的电磁干扰、50Hz工频干扰以及母体中的其它干扰源等。工频干扰主要以共模信号的形式存在，通常幅值可达几伏。母体中的干扰信号和胎儿心率信号的频率也 不相重叠。能够根据胎儿心率信号主要集中在7OHz～l10Hz范围之内的特点，设计了一款针对性强、性能优越、稳定可靠的胎儿心率信号处理电路，如图2 所示。

　　

　 　中间信号处理电路分为带通选频电路、二级放大电路、50Hz陷波器和增益调节电路四部分。带通选频电路用状态变量滤波器作为带通滤波器，通带的最大范围 设定为50Hz；--“140Hz如图3所示。这种滤波器有三个好处：适当选择元件数值。可使品质因数Q和中心频率无关； 和Q对元件参数很不灵敏；Q只可以很高（可和高Q值有源带通滤波器相媲美）。

　　

　　二级放大电路在结构上和增益调节电路类似。都是由运放接成电压负反馈的形式。前者进行信号的放大，而后者控制整体电路的增益，最大可达120dB。其结构示意图如图4所示。运用电压串联负反馈结构。其优点是结构简单，具有如下不可替代的优越的性能：

　　

　　（1）输入等效阻抗， j=（1 ，输出等效阻抗小，Ro=Rod（I+AF），其中， fd运放的输入阻抗， 为输出阻抗。不仅完成了信号的放大作用，而且还起到了缓冲器的作用。有效地隔离了前后级的模块，不用额外增加阻抗变换器和匹配模块；

　　（2）电容C53的使用使整个模块具有了低通的功能，不仅可以去除信号中的高频干扰，还由于其超前补偿作用，对有效信号中的高频部分进行了相位补偿。通过合理的设计，电路频率段的相位将变化平缓。

　　图5所示为50Hz工频陷波器采用典型的有源双T陷。

　　

　　3、A／D转换和光电耦合电路

　　传感器出来的信号是模拟电压信号。需要经过A／D 转换变成数字信号，才能送到805l单片进行处理 为了保证安全以及防止模拟和数字电路之间的干扰，光电隔离电路也是一个必不可少的模块。如图6所示。

　　

　　4、MCU信号处理

　　MCU对信号的处理主要是对从A／D 转换器传来的数据进行数据分析和计算胎儿心率值。设计一个基于小波变换的自适应滤波器，能够更好的对信号进行处理，从中提取我们需要的信号。

　　MCU采用atmel公司的AT89C205l，与液晶显示器的连接电路如图7所示。

　　

　 　该单片机是采用高性能的静态80C51设计。由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器。全部支持l2时钟和6时钟操作。 AT89e205包含128字节RAM、16条I／O口线、2个16位定时／计数器、5输入2优先级嵌套中断结构、1个串行I／O 口可用于多机通信I／O扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路。

　　此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（频 率可降至0）。可实现两个由软件选择的节电模式—— 空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存RAM 的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。

　　5、显示电路

　 　设计使用的是YLF12232F液晶显示器。YLF12232F是一种内置8192个16”16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵 液晶显示器，它主要由行驱动器／列驱动器及128×32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示7．5×2个（16×16点阵）汉字与外部 CPU接口采用串行方式控制的一款胎心监护仪器。

　　图8是采用新型MEMS加速度传感器设计。

　　

　　五、结束语

　 　基于MEMS加速度传感器设计的胎儿心率检测仪。对这类仪器而言，最重要的就是如何出去干扰和噪声。从中提取我们需要的信号。随着技术的发展，仪器也越 来越小型化、便携化。并且在适当改进后能够以此为终端，做一个远程胎心监护系统。它是把目前的常规胎心监护和计算机， 电话通讯相结合，运用上述胎心检测仪，电话机和医院的中央信号采集分析监护主机构成系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结果，医生对该结 果进行诊断，如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况，有利于胎儿和孕妇的健康。

飞思卡尔基于MEMS的传感器技术

　　微机电系统（MEMS）是飞思卡尔应用于加速度和压力传感器的技术。基于MEMS的传感器产品有一个接口，通过该接口可以感应、处理和/或控制周围环境。

　　飞思卡尔基于MEMS的这一类传感器器件将非常小的机电组件集成在单个芯片上。基于MEMS的传感器是汽车电子、医疗设备、硬盘驱动器、计算机外设、无线设备及手机、PDA等智能便携式电子设备的重要组件。

　　MEMS的优点：低成本、低功耗、小型化、高性能、集成

　　飞思卡尔的领先地位

　　近30年来，飞思卡尔半导体不断开发各种基于MEMS的传感器。用于生产传感器的工艺技术大体上分为两类：立体微加工和表面微加工。我们公司生产加速度传感器和压力传感器。飞思卡尔是大规模量产基于MEMS传感器的制造商。

　　应用

　 　基于MEMS的传感器是汽车电子、医疗设备、手机、PDA等智能便携式电子器件，以及硬盘驱动器?、计算机外设和无线设备的重要组件。汽车工业已开始将 这些传感器专用于安全气囊系统碰撞检测。从上世纪90年代到今天，采用MEMS技术的安全气囊传感器市场取得了极大的成功。现在，从喷墨打印机到手机，基 于MEMS的传感器已广泛应用于各种设备。目前，各主要市场都在采用这一技术。

　　HARMEMS技术

　 　飞思卡尔新一代高宽比微机电系统（HARMEMS）技术是适合安全气囊传感应用的成熟技术。加速度传感器采用先进的传感设计，改进传感器的偏移性能。 HARMEMS技术具有过阻尼机械响应和出色的信噪比，可满足客户的要求。由于安全气囊主ECU系统安装在汽车驾驶室中，过阻尼HARMEMS技术对高 频、高振幅寄生振动?具有耐受能力。HARMEMS技术已引入到电子稳定控制系统（ESC）中采用的双轴加速度传感器中，以测量汽车横向加速度。

　　

　　MEMS表面微加工

　 　在表面微加工过程中，MEMS传感器采用沉积薄膜材料在晶圆表面上成形。这些沉积材料包含传感器成形过程中使用的结构材料和界定结构层之间的间隙所用的 衬层材料。许多表面微加工传感器采用电容转换法，将输入机械信号转换为等效电子信号。通过电容转换法，传感器可视为一个机械式电容，其中一个平板在物理驱 动力作用下产生移动。这种移动会改变两个电极之间的间隙，电容随之变化。电容的这种变化是与输入的机械动力等效的电子量。

　　

　　MEMS体型微加工

　 　体型微加工过程中，单晶硅通过蚀刻形成三维的MEMS器件。这是一种侵蚀式工艺，采用各向异性化学腐蚀方法去除晶圆中的硅。这种体型微加工方法可用来大 规模量产各种传感器，如压阻式压力传感器。最简单的加工方法是有选择地蚀刻特定部分的硅片，让这些区域只剩下一层隔膜。在绝对压力传感器中，硅晶圆与另一 晶圆结合（芯片或硅玻璃），在隔膜下形成一个真空密封腔。隔膜在压力作用下发生弯曲。压敏电阻效应是广泛采用的一种能量转换机制。在压敏电阻材料中，应力 的变化产生张力，从而引起电阻产生相应的变化。当在隔膜最大应力点上植入压敏电阻时，压力作用下产生的变形引起电阻变化。一般情况下，可将压敏电阻组成桥 接网络，两个端子之间应用的电压产生的输出电压可在另外两个端子?之间进行测量。

　　

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